Сила притяжения черной дыры


Черные дыры бывают разных размеров и масс. Известны, например, сверхмассивные черные дыры, масса которых равна миллионам масс нашего Солнца, а есть черные дыры звездных масс, масса которых обычно колеблется в диапазоне между 5 и 10 массами нашего Солнца.

Общеизвестно также, что существуют звезды аналогичных масс. Возникает резонный вопрос, почему же тогда поверхностная гравитация звезд меньше, чем поверхностная гравитация черных дыр аналогичных масс?

Источник: wired.co.uk

Вопрос вполне резонный и требует объяснения. Вообще чтобы дать действительно правильное объяснение придется лезть в дебри общей теории относительности и мучить читателей довольно сложным матаном, чего мне делать не хочется, поэтому я объясню, что называется, «на пальцах».


Закон всемирного тяготения Ньютона

В школе все мы учили законы Ньютона и в том числе закон всемирного тяготения. Однако почему-то так сложилось, что многие забывают, что согласно закону всемирного тяготения притяжение между телами зависит не только от массы, но и расстояния между ними.

Рассмотрим простой пример. Допустим у нас есть наша Земля. Обозначим ее массу как Мe. И допустим есть еще одна планета равная нашей Земле по массе, но при этом имеющая радиус в два раза меньше. Обозначим радиус Земли как R.

Допустим на поверхности каждой из планет находится обычный человек с массой Mh. Рассчитаем какое притяжение будет он испытывать на Земле и на другой планете с такой же массой, но радиусом в два раза меньше.

Легко убедиться, что на Земле сила притяжения будет равна:


Притяжение, испытываемое человеком на Земле

А на другой планете:

Притяжение испытываемое человеком на планете в два раза меньшей по радиусу, чем Земля.

Т.е. сила притяжения на планете в два раза меньшей по радиусу чем Земля будет в 4 раза больше! Если бы эта планета была меньше в 4 раза, то сила притяжения была бы больше в 16 раз, если бы была меньше в 10 раз, то сила притяжения вообще превышала бы земную в 100 раз!.

Дело в том, что поверхностная гравитация того или иного объекта зависит не только от его массы, но и от его размеров. К примеру масса Юпитера более чем в 300 раз превосходит массу Земли, но при этом из-за гигантских размеров его поверхностная гравитация всего в 2.5 раза больше земной.


Черная дыра легко поглотит звезду такой же или практически любой превосходящей массы, так как ее гравитационный потенциал вблизи горизонта событий будет намного превосходить гравитацию любой звезды. Источник: nasa.gov

Точно также и со звездами и черными дырами. Звезда и черная дыра могут иметь одинаковую массу, но поверхностная гравитация черной дыры всегда будет несравнимо больше. К примеру для черной дыры с массой равной 5 массам солнца радиус горизонта событий будет составлять чуть меньше 15 километров. Радиус же звезды с такой массой может измеряться сотнями тысяч или даже миллионами километров. Чем меньше расстояние при одинаковой массе, тем больше сила притяжения.

Читайте также: Почему места высадки на Луну не видно в телескоп?


Стоит отметить, что это довольно грубое упрощение, так как законы классической механики весьма плохо работают в отношении черных дыр, но все же думаю оно должно дать некую непротиворечивую картину.

Ставьте палец вверх чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!

Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал в телеграме. Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос.

Источник: zen.yandex.ru

Сила притяжения черной дыры

Черные дыры являются одним из самых интересных объектов во Вселенной. Это небесные тела чрезвычайно сильной гравитации, из которых ничто не может вырваться — ни планета, ни луна, ни даже свет.

Все, что пересекает горизонт событий — границу, в пределах которой скорость убегания черной дыры больше скорости света — резко движется к неизвестной судьбе.

В последние годы физики обнаружили много неизвестных фактов о черных дырах. Некоторые открытия заложили основу для будущего, в то время как некоторые все еще поражают воображение исследователей. Вот 18 самых интригующих фактов и теорий черных дыр, которые вы должны знать.

1. Черная дыра была открыта Карлом Шварцшильдом в 1916 году


Сила притяжения черной дыры
Карл Шварцшильд | Изображение предоставлено: Викимедиа

Хотя объекты с интенсивными гравитационными полями (из которых свет не может уйти) рассматривались в 18 веке, именно Карл Шварцшильд дал первое современное решение общей теории относительности в 1916 году, характеризующее черную дыру.

В 1958 году Дэвид Финкельштейн опубликовал свою интерпретацию как область пространства, из которой ничто не может вырваться. Американский физик-теоретик Джон Уилер затем связал термин «черная дыра» с объектами с гравитационным коллапсом, предсказанным в начале 20-го века.

Он использовал термин «черная дыра» во время презентации, которую он дал в Институте космических исследований имени Годдарда НАСА в 1967 году.

2. Их нельзя наблюдать непосредственно


Сила притяжения черной дыры
Первое фото Черной дыры

Первое в мире изображение черной дыры в ядре эллиптической галактики Мессье 87

Поскольку свет не может избежать массивного гравитационного притяжения черной дыры, вы не можете непосредственно наблюдать его. Тем не менее, вы можете увидеть, как его гравитация влияет на близлежащие небесные тела и газ.

Астрономы изучают звезды, чтобы увидеть, вращаются ли они вокруг черной дыры. Когда звезда и черная дыра находятся близко друг к другу, испускается излучение, которое обычно фиксируется космическими телескопами и спутниками.

В 2019 году ученые сняли первое в мире изображение черной дыры, расположенной на расстоянии 500 миллионов триллионов километров. Он был сфотографирован сетью 8 телескопов по всему миру. Эта сверхмассивная черная дыра имеет ширину в 40 миллиардов километров и в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца.

3. Типы черных дыр

Существует четыре типа черных дыр (три реальных и одна гипотетическая) —

Звездные черные дыры: это маленькие черные дыры с массами от 5 до нескольких десятков масс Солнца. Они образованы гравитационным коллапсом большой звезды.

Сверхмассивные черные дыры: самые большие черные дыры с массами от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. Их происхождение остается открытой областью исследования.


Промежуточные черные дыры значительно более массивны, чем звездные черные дыры, но меньше, чем сверхмассивные черные дыры. Наиболее убедительные доказательства таких небесных тел получены от некоторых активных галактических ядер с низкой светимостью.

Изначальные черные дыры — это гипотетические черные дыры, которые могли образоваться вскоре после Большого взрыва. Их массы могут быть намного меньше, чем звездные массы. Стивен Хокинг подробно изучил эти черные дыры и обнаружил, что они могут весить всего 100 микрограммов.

4. Черная дыра имеет три слоя

Черная дыра имеет три слоя: сингулярность, внешний и внутренний горизонт событий.

Центр черной дыры называется сингулярностью. Это область, где вся масса сжимается до почти нулевого объема. Таким образом, особенность имеет почти бесконечную плотность и порождает огромную гравитационную силу.

Внешний горизонт событий — это самый внешний слой, из которого материалы все еще могут вырваться из гравитации черной дыры. Гравитационное притяжение этого слоя не такое сильное, как в центральном или среднем слое.

Внутренний горизонт событий — это центральный слой. Это регион, откуда вещество не может убежать. Он толкает вещество к центру черной дыры, где гравитационное воздействие является наиболее сильным.

5. Черная дыра может быть размером до 0,1 миллиметра

Черная дыра может иметь массу, столь же малую, как луна Земли, и огромную, в десять миллиардов раз превышающую массу Солнца.


Его масса пропорциональна размеру горизонта событий, который измеряется как радиус Шварцшильда. Это радиус, при котором скорость выхода равна скорости света.

Более того, ни одна черная дыра не является бесконечно маленькой. Минимальная масса выше или равна массе Планка, которая составляет около 22 микрограммов.

6. Черные дыры вращаются вокруг оси

Сила притяжения черной дыры

Когда звезда падает в очень маленькое пространство, она все еще сохраняет всю эту массу. Чтобы сохранить момент импульса, скорость вращения черной дыры увеличивается.

Поскольку черная дыра вращается, ее масса заставляет вращаться и близлежащее пространство-время. Этот регион называется эргосферой. Это регион (за пределами горизонта событий), где происходят различные интересные эффекты.

Чем меньше горизонт событий, тем быстрее он вращается. Однако существует ограничение скорости, с которой черная дыра может вращаться [не раскрывая свою сингулярность остальной Вселенной].

Самая тяжелая звездная черная дыра (GRS 1915+105) в Млечном Пути вращается 1150 раз в секунду. А в галактике NGC 1365 есть черная дыра, которая вращается со скоростью 84% скорости света. Он достиг предела космической скорости и не может вращаться быстрее.

7. Они производят звук


Сила притяжения черной дыры
Наблюдение Чандрой скопления галактик Персей выявило волнообразные особенности, которые кажутся звуковыми волнами | Предоставлено: НАСА.

В 2003 году астрономы, использующие рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА, обнаружили звуковые волны от сверхмассивной черной дыры, расположенной в 250 миллионах световых лет от Земли.

Когда черная дыра втягивает что-то, ее горизонт событий заряжает частицу близко к скорости света, производя звук. Космические телескопы улавливают звуковые волны, которые уже прошли миллионы световых лет от их источника (черной дыры).

Но звук не может распространяться в вакууме, тогда как мы слышим черные дыры? На самом деле, космическое пространство не полный вакуум. Он состоит из нескольких атомов водорода (плюс другие газы) на кубический метр, которые служат средой для очень низкочастотных звуковых волн.

8. Черные дыры искажают пространство и время

Сила притяжения черной дыры
Симуляция, показывающая, как черная дыра искажает пространство-время

Из-за сильного гравитационного воздействия черная дыра может исказить пространство-время в ближнем соседстве. Согласно общей теории относительности, чем ближе вы к черной дыре, тем медленнее проходит время.


Горизонт событий — это граница вокруг черной дыры, где каждая материя, включая свет, теряет способность убегать. Гравитационная сила постоянна на горизонте событий.

Вращающаяся черная дыра порождает странный эффект, называемый перетаскиванием кадра. В этом случае пространство и время, близкие к черной дыре, фактически тянутся вокруг нее. Космос тянется так сильно, что невозможно двигаться в противоположном направлении. Это бесконечный регресс искажений, когда нет возможности двигаться вперед.

В целом, классические законы физики в том виде, в каком мы их знаем, перестают действовать внутри горизонта событий, на самом деле невозможно представить что-либо с бесконечной плотностью и нулевым объемом.

9. Черные дыры могут убить тебя ужасным способом

Сила притяжения черной дыры
Если бы вы упали в черную дыру, ваше тело растянулось бы в длинную, похожую на спагетти нить.

Предполагая, что это маленькая черная дыра, вы будете искажены огромной приливной силой тяжести. Приливная сила — это разница между силой тяжести на голове и ногах. Сила, действующая на вашу голову (если вы падаете головой вперед), будет намного сильнее, чем сила, действующая на ваши ноги.

Эта разница заставит вас почувствовать, что что-то разрывает вас на части, растягивает с головы до ног. Чем ближе ваша голова к черной дыре, тем быстрее она движется. Но нижняя половина вашего тела находится дальше и поэтому не движется к центру так быстро.

Когда приливная сила превышает молекулярные силы, которые связывают вашу плоть, ваше тело разорвется на две части, и эти две части разорвутся на две другие части, и так далее. Вы были бы вытеснены через ткань пространства-времени, как зубная паста через трубку.

10. Черные дыры не засасывают

Сила притяжения черной дыры
Все внутри горизонта событий рушится до одномерной сингулярности

Люди обычно думают о черной дыре как о космическом вакууме, который высасывает вещество со всего вокруг. Это распространенное заблуждение. Черные дыры похожи на любое другое небесное тело, но имеют огромное гравитационное влияние на пространство в их окрестностях. Это гравитационное притяжение просто заставляет вещество вокруг них быстро ускоряться.

Даже если вы замените наше Солнце черной дырой равной массы, Земля не упадет. У черной дыры будет то же гравитационное поле, что и у Солнца. Земля и другие планеты будут продолжать вращаться вокруг черной дыры, когда она вращается вокруг Солнца сегодня.

А поскольку Солнце недостаточно велико, оно никогда не превратится в черную дыру.

11. Сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства галактик

Сила притяжения черной дыры
Рентгеновское изображение Стрельца А | Предоставлено: НАСА.

Исследователи полагают, что в ядре большинства галактик, включая Млечный Путь, есть сверхмассивная черная дыра. Эти большие черные дыры фактически удерживают галактики вместе в космосе.

Стрелец А, черная дыра, расположенная в центре Млечного Пути, в 4 миллиона раз массивнее Солнца. На расстоянии всего 26 000 световых лет от Земли Стрелец А является одной из очень немногих черных дыр во Вселенной, где астрономы могут фактически наблюдать поток материи поблизости.

12. Во Вселенной есть бесчисленные черные дыры

Одна наша галактика состоит из более чем 100 миллионов звездных черных дыр, плюс сверхмассивный Стрелец А в ее ядре. Почти 100 миллиардов галактик, каждая из которых имеет ядро ​​сверхмассивного монстра и 100 миллионов черных дыр звездной массы (в то время как другие типы еще изучаются), это все равно что пытаться подсчитать количество песчинок на Земле.

13. Любой объект может быть превращен в черную дыру

Звезды не единственные вещи, которые в конечном итоге превращаются в черные дыры. Теоретически вы можете превратить все в черную дыру.

Например, если вы уменьшите размер Солнца до 6 километров в поперечнике, сохраняя при этом всю его массу, он станет черной дырой. Его плотность достигнет астрономических уровней, которые сделают гравитационную силу невероятно сильной.

Та же теория может быть применена к Земле и любому другому объекту, такому как мобильный телефон, автомобиль или даже ваше собственное тело. Однако мы не знаем такой техники, которая может уменьшить объем до бесконечно малой точки, сохраняя при этом 100 процентов массы объекта.

14. Со временем они испаряются

Сила притяжения черной дыры

В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры излучают небольшое количество фотонных частиц, что заставляет их постепенно терять массу и исчезать со временем. Этот процесс испарения называется «излучение Хокинга».

Излучение черного тела происходит за счет квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Поскольку процесс невероятно медленный, только самые маленькие черные дыры успели бы полностью испариться в течение 13,8 миллиардов лет (эпоха Вселенной).

15. Сверхмассивные черные дыры определяют количество звезд в галактике

Существует сбалансированная связь между деятельностью черных дыр и количеством звезд. Слишком много звезд сделало бы галактику слишком горячей, чтобы жизнь могла эволюционировать, тогда как недостаточное количество звезд может помешать формированию жизни.

Новое исследование показывает, как сверхмассивные черные дыры регулируют звездообразование в массивных галактиках. История звездообразования в близлежащих массивных галактиках зависит от массы центральной сверхмассивной черной дыры.

16. Они являются гигантским источником энергии

Черные дыры создают энергию более эффективно, чем маленькие звезды, такие как Солнце.

Поскольку гравитационное влияние очень сильно вблизи горизонта событий, вещество, ближайшее к краю горизонта событий, вращается намного быстрее, чем вещество на внешнем горизонте событий (внешний слой черной дыры).

Вещество движется так быстро, что нагревается до миллионов градусов по Цельсию, превращая массу в энергию в форме излучения (известного как излучение черного тела).

Черная дыра может преобразовать 10% массы в энергию. Чтобы поместить это в перспективу, ядерный синтез превращает только 0,7% массы в энергию.

Исследователи даже исследовали, возможно ли физически использовать этот вид энергии для строительства электростанций или космических кораблей.

17. Черные дыры могут создать новые вселенные

Это может показаться странным, но некоторые физики считают, что черные дыры могут открыть новые миры. Наша вселенная, возможно, родилась внутри черной дыры, и черные дыры в нашей вселенной могут порождать новые собственные вселенные.

Чтобы понять, как это работает, представьте себе нашу нынешнюю Вселенную: все, на что вы смотрите, стало возможным благодаря ряду событий, произошедших в прошлом, и определенным условиям, которые объединились для создания жизни.

Если вы внесете изменения в эти условия / события хотя бы на небольшое количество, все будет по-другому. Теоретически, сингулярность может изменить эти условия, создав новую, слегка измененную вселенную.

18. Информация может спастись от черной дыры

Что происходит с информацией о частицах, проходящих через черные дыры? Физики пытались ответить на этот вопрос десятилетиями.

Законы квантовой физики утверждают, что информация не может быть уничтожена окончательно. Однако, если информация не может вырваться из черной дыры, то, по сути, она была уничтожена. Это, кажется, нарушает правила квантовой механики.

По словам Стивена Хокинга, информация никогда не попадает в черную дыру.

«Информация хранится не во внутренней части черной дыры, как можно было ожидать, а на ее границе, горизонте событий» — Стивен Хокинг

Когда объект входит в черную дыру, его информация захватывается и сохраняется на горизонте событий. Хотя объект может быть разрушен внутри черной дыры, информация останется размытой на горизонте событий.

Информация может сбежать вместе с излучением Хокинга, но в бесполезной и хаотичной форме. На самом деле, это может произойти в другой вселенной. Хокинг предположил, что черные дыры не являются вечными тюрьмами, которые они когда-то считали.

Источник: new-science.ru

    Задача поиска и открытия черных дыр в космосе представляется на первый взгляд совершенно безнадежной, так как никакая информация, даже свет, не может вырваться с поверхности подобных объектов. Основной инструмент астрономов — телескоп бессилен в решении этой задачи. Но во Вселенной продолжает «жить» и действовать гравитационное поле черной дыры. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие на значительном расстоянии. Она может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: удерживать возле себя планеты или образовывать двойные системы с другими звездами. Вещество, которое падает на чёрную дыру, разогревается до очень высоких температур и, прежде чем окончательно исчезнуть в черной дыре, выбрасывает во Вселенную интенсивное рентгеновское излучение.
    Для поиска рентгеновских источников по всему небу в 1970 году на околоземную орбиту был запущен американский спутник «Ухуру», и с тех пор рентгеновские источники были открыты во многих двойных системах. В большинстве двойных систем, являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, а значит, это нейтронная звезда. Но некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронных звезд. А потому предполагается, что в этом случае невидимым компонентом является черная дыра.

Рост черных дыр
    А1) сжатие первичного водородного облака вокруг небольшого «зернышка» черной дыры;
    А2) падающий газ питает дыру, наращивает ее массу, что ведет к формированию звезд;
    АЗ) сжатие содержимого гигантской эллиптической галактики; рост черной дыры останавливается

    В1) две дисковые галактики, имеющие в центре черные дыры, сближаются друг с другом;
    В2) галактики сталкиваются и их ядра начинают сливаться с их черными дырами;
    ВЗ) слившееся в одно гигантская эллиптическая галактика с черной дырой в центре, которая растет пропорционально массе

    С1) обычная дисковая галактика формируется с крошечной черной дырой;
    С2) газ из диска падает в центр галактики и растет псевдоуплотнение, выглядящее как первичное уплотнение, но в реальности является частью диска;
    СЗ) по мере роста псевдоуплотнения формируется ч. дыра масса которой растет за его счет

ТРИ ПУТИ РОСТА ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

    Первым кандидатом в черные дыры стал невидимой источник рентгеновского излучения Лебедь-Х1, находящийся на расстоянии 8 000 световых лет от 3емли. Видимый компонент этой двойной звездой системы — нормальная звезда с массой около 30 масс Солнца, а невидимый с массой более чем 6 солнечных масс. А так как никакая нейтронная звезда не может содержать больше 3 масс Солнца, то отождествление Лебедя-Х1 с черной дырой представляется вполне вероятным. Но чтобы доказать что это действительно черная дыра, в соответствии с теорией Эйнштейна, нужны детальные исследования процессов, происходящих в непосредственной близости от «горизонта событий». Факт существования черных дыр очень важен для космологии, ведь он непосредственно свидетельствует о том, как Вселенная может скрывать большую часть своей материи.

Искривление пространства
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

    Будущие космичесиe миссии сосредоточат свое внимание главным образом на исследовании мощных супермассивных черных дыр в центрах галактик. Планируются также наблюдения и исследования так называемых джетов, выбрасываемых из окрестностей чёрных дыр в противоположных направлениях со скоростью, близкой к скорости света, и растягивающихся на миллиарды километров от черной дыры. Обсерватории, регистрирующие гамма-излучение, занимаются их исследованиями для того, чтобы понять механизм их образования. Предусматривается также спектроскопия очень высокого разрешения, которая, как надеются ученые, позволит измерить две основные характеристики черных дыр: массу и момент вращения. Еще планируется получение изображения в основаниях джетов в радиодиапазоне с очень высоким разрешением, что поможет выяснить, как «питаются» черные дыры и как создаются джеты.
    Предполагается также создание новой рентгеновской космической обсерватории, более мощной, чем запущенная НАСА в 1999 году «Чандра», которая позволит разрешить «горизонт событий» супермассивных черных дыр в ядрах как близких галактик, так и Млечного Пути.
    В ядре нашей Галактики — Млечного Пути — были обнаружены звезды со скорoстями собственных движений более 1000 км/с. Вблизи центра Галактики, в области с радиусом 0,1 пк вокруг радиоисточника считается нетепловым ядром Галактики, 90 измеренных звезд движутся слишком быстро, и скорость их явно увеличивается с приближением к центру. Такие скорости объяснимы в том случае, если Стрелец А — черная дыра с массой, равной 2,6 миллиона масс Солнца.

Сила притяжения черной дыры
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

    Рис. 1: изображение в радиодиапазоне галактики М87 показывает гигантскую пузырящуюся структуру, излучающую радиоволны, которые, как предполагается, являются мощными выбросами субатомных частиц, выходящих из окрестностей черной дыры в галактическом центре. Цвет показывает интенсивность радиоэнергии, излучаемой джетами.
    Рис. 2: оптическое изображение в видимом свете галактики М87, сделанное камерой «2» телескопа «Хаббл» в феврале 1998 года, показывает джет высокоскоростных электронов, вылетающих из ядра (диагональ, пересекающая поле изображения).
    Рис. 3: съемка телескопом VLBA в радиодиапазоне области, прилегающей к черной дыре, где экстрагалактический джет формируется в узкий луч под воздействием магнитных полей. Искаженный цвет показывает интенсивность энергии, излучаемой джетами в радиодиапазоне. Район, выделенный красным цветом, имеет в поперечнике размер 1/10 светового года. Формы проявления активности ядер в разных галактиках не одинаковы. Иногда — это большая мощность излучения в оптической, рентгеновской или инфракрасной областях спектра, меняющаяся в течение лет, месяцев или дней. В некоторых случаях в ядре наблюдается очень быстрое движение газа, образующего длинные прямoлинейные выбросы — джеты. Скорость отдельных газовых фрагментов нередко достигает тысяч километров в секунду. В некоторых галактиках ядра являются источниками высокоэнергичных элементарных частиц. Активные ядра характеризуются большой светимостью во всем диапазоне электромагнитного спектра. Эта огромная энергия выделяется из области диаметром меньше, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды. Что служит источником энергии для столь бурной активности? Существует несколько гипотез, и одна из них предполагает, что в центре галактик скрыты черные дыры, массы которых достигают десятков и даже сотен миллионов масс Солнца. В результате падения вещества на черную дыру выделяется огромное количество энергии. Газовые массы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, и при столкновении вблизи черной дыры энергия движения преобразуется в электромагнитное излучение. Астрономы использовали космический телескоп «Хаббл» и рентгеновскую обсерваторию «Чандра» для того, чтобы найти доказательства существования черных дыр. Недавние наблюдения сверхгигантской эллиптической галактики М87, расположенной на расстоянии 50 миллионов световых лет в скоплении Девы, пoказали, что в ее центре имеется компактный, сильно наклoненный к лучу зрения газовый диск. Скорость вращения ионизованного газа, сoдержащегося в нем на расстоянии примерно 3,5 пк от центра, достигает огромной величины — 600 км/сек. Только гравитация объекта радиуса 3,5 пк с массой в 2 — 3 миллиона солнц могла бы заставить газ вращаться с такой скоростью. Некоторые астрономы полагают, что аккреционный диск этой галактики сформировался, когда некая маленькая галактика слишком близко подошла к М87 и была втянута в ее центральные области.
    Другим проявлением черных дыр являются квазары. Самыми мощными внегалактическими источниками электромагнитного излучения во Вселенной являются квазары — квазизвездные радиоисточники. Такое название они получили потому, что на первый взгляд неотличимы от обычных звезд, однако имеют очень малые угловые размеры и расположены на расстояниях 10 — 15 миллиардов световых лет от Земли, почти на границе наблюдаемой Вселенной. Мы видим их такими, какими они были 10 — 15 миллиардов лет назад, когда Вселенная еще только формировалась. Эти объекты излучают столько энергии, сколько могли бы излучать десятки галактик. В рентгеновском диапазоне они излучают столько же энергии, сколько во всей оптической области спектра, которая высвобождается внутри объема с диаметром, меньшим, чем расстояние от Солнца до ближайшей звезды. К настоящему времени открыты тысячи квазаров, для них характерны мощные движения газа, выброс струй вещества (или джетов) со скоростью, близкой к скорости света. Существует несколько гипотез для объяснения природы квазаров, но наиболее известная сводится к тому, что квазар — это гигантская черная дыра с массой около 100 млн. солнечных масс, расположенная в плотном ядре галактики. Массивная черная дыра разрушает и захватывает звезды, орбиты которых проходят близко от нее. Одним из самых сильных аргументов в пользу этой интерпретации является изменение светимости квазаров с характерным временем менее одного светового дня.


Подведем итог: какие бывают звезды?

Источник: galspace.spb.ru

Хуан Малдасена (Juan Maldacena),
Институт высших исследований, Школа естественных наук, Принстон, Нью-Джерси, США

Английский оригинал    Видеозапись    Презентация лекции (pdf, 656 Кб)

  • 1. Черные дыры
  • 2. Черные дыры и квантовая механика
  • 3. Разрешение загадок
  • 4. Структура пространства-времени
  • Библиография

1. Черные дыры

Черные дыры — один из самых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна. У черных дыр интересная история, поскольку они преподнесли теоретикам немало сюрпризов, приведших к лучшему пониманию природы пространства-времени.

Давайте начнем с теории всемирного тяготения Ньютона. Силу гравитационного притяжения мы испытываем прямо здесь, на поверхности земли. Если подбросить камень, он упадет под действием земного притяжения. А можно ли подбросить камень с такой скоростью, чтобы он на Землю не вернулся? Можно. Если запустить камень со скоростью выше второй космической скорости (около 11 км/с), он покинет гравитационное поле Земли. Эта «скорость выхода» зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля при ее нынешнем радиусе была массивнее или имела бы меньший радиус при ее нынешней массе, скорость выхода была бы выше. Возникает вопрос: что будет, если плотность и масса космического тела настолько велики, что скорость выхода из его гравитационного поля выше скорости света? Ответ: такое тело будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет его покинуть не может. Например, звезда с радиусом меньше, чем

Сила притяжения черной дыры

где GN — постоянная Ньютона, а с — скорость света в вакууме, будет выглядеть абсолютно черной.

Для тех, кто не разбирается в формулах, приведу несколько примеров. Чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в черную дыру, оно должно иметь радиус меньше сантиметра. Тело с массой Солнца должно сжаться до диаметра меньше километра. На это еще в конце XVIII века указал Пьер-Симон Лаплас, но тогда никто не придал этому особого значения.

С появлением в 1905 году специальной теории относительности у нас появилось понимание того факта, что скорость света в вакууме — не рядовая скорость. Это космический предел: ничто не может двигаться быстрее света. Теория относительности Эйнштейна также учит нас, что пространство и время тесно взаимосвязаны. Для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, время течет с разной скоростью. Предположим, вы стоите на улице и смотрите на проезжающие машины. Для водителей машин время течет чуть медленнее, чем для вас, и несколько иначе. Предположим, вы видите, как два светофора в разных концах улицы одновременно переключаются на красный. Для водителей же они переключатся не одновременно. Это получается после того, как мы учтем время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от светофора до наблюдателей. И для вас, и для водителей свет движется с одинаковой скоростью, но время для них течет медленнее. То есть, время относительно, а скорость света абсолютна. Это противоречит нашим интуитивным представлениям о мире, так как эффект этот на нас практически не сказывается, поскольку мы обычно путешествуем на скоростях, которые очень далеки от скорости света, а время измеряем не с абсолютной точностью. Однако в ускорителях элементарных частиц этот эффект наблюдается постоянно. При скоростях, близких к скорости света, частицы живут значительно дольше.

Пространство и время объединяются в единую концепцию пространства-времени. Время воспринимается по-разному двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Однако оба наблюдателя воспринимают одно и то же пространство-время. Имеются точные формулы, позволяющие нам связать наблюдения этих двух наблюдателей.

Теперь вернемся к гравитации. Она обладает очень важным свойством, которое открыл еще Галилей: все тела падают одинаково, если не учитывать сопротивление воздуха. В безвоздушном пространстве пушинка и камень упадут на землю одновременно. В случае действия других сил это не так. В электрическом поле заряженная частица будет двигаться иначе в случае изменения ее массы или заряда. В теории всемирного тяготения Ньютона причина, по которой все тела движутся под воздействием гравитационных сил одинаково, сводится к тому, что сила гравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Иногда это называют «принципом эквивалентности».

Эйнштейн осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласно ньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно. В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему таким образом, что из этого решения естественным путем вытекает и принцип эквивалентности. Свою новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией относительности. Он предположил, что гравитация возникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких траекторий в искривленном пространстве-времени могут сближаться. Например, два земных меридиана на пересечении с экватором параллельны, однако по мере удаления от него они сближаются и, в конечном итоге, пересекаются в точке Северного полюса. Конфигурация пространства-времени зависит от материи, перемещающейся в нем. Общая теория относительности подразумевает, что темп времени зависит от гравитационного поля. Следовательно, два жильца одного дома, обитающие на первом и последнем этажах, воспринимают ход времени по-разному. Для обитателя первого этажа время течет чуть медленнее, чем для обитателя верхнего этажа. Для земных зданий этот эффект пренебрежимо мал и составляет порядка 10–15 секунды за секунду. Главное, что нам нужно усвоить, это то, что массивные тела стягивают пространство-время на себя. В частности, вблизи массивных объектов время течет медленнее, чем на удалении от них.

Физики всегда стремятся сначала разобрать простейшие ситуации. Поэтому в 1916 году, вскоре после открытия общей теории относительности, молодой немецкий физик Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschield) нашел простейшее сферически симметричное решение уравнений Эйнштейна. Это решения описывает частный случай искривления геометрии пространства-времени под воздействием точечной массы. Однако, вместо геометрии, давайте обратим внимание на другой их аспект: темп хода стационарных часов. Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные от Солнца часы. Часы на поверхности нейтронной звезды идут со скоростью 70% от скорости часов вдали от нее. Здесь налицо уже весьма значительный эффект расхождения во времени. Так вот, решение Шварцшильда подразумевает, что часы в «центре» точечной массы вообще остановились бы. Поначалу физики сочли это «нефизическим» парадоксом, следствием слишком упрощенного анализа.

Дальнейшие расчеты показали, однако, что речь в решении Шварцшильда идет даже не о некоем условном «центре», а о целой идеальной сфере. Путешественник, пересекающий границы этой сферы и попадающий внутрь нее, не испытывает ничего странного или необычного — для него время течет по-прежнему. А вот для сторонних наблюдателей за пределами этой сферы, принимающих сигналы от падающего внутрь сферы путешественника, любые сигналы от него будут неуклонно замедляться, пока не исчезнут, как таковые, при пересечении им поверхности сферы. Поверхность, на которой стационарные часы замедляются до нуля, принято называть сферой Шварцшильда или «горизонтом». Возврата из-за горизонта нет. Наблюдатель, пересекший его и попавший внутрь сферы, обратно не выберется и будет неизбежно поглощен сингулярностью в ее центре. «Сингулярность» — это область сверхвысокого искривления пространства-времени, и путешественник в ней попросту исчезнет и будет раздавлен огромной гравитационной силой. Выясняется, что размер черной дыры согласно теории Эйнштейна описывается все той же формулой, предложенной еще Лапласом в рамках механики Ньютона, однако ее физическая интерпретация в корне меняется.

Черные дыры могут образовываться в результате астрофизических процессов, когда у звезд с массой, на порядок превышающей массу Солнца, кончается термоядерное топливо, и они обрушиваются внутрь себя под действием гравитационных сил. Имеется достаточно данных наблюдений, свидетельствующих о реальности существования таких черных дыр во Вселенной. С астрофизической точки зрения обнаруженные черные дыры подразделяются на две категории. Первый тип — это черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса массивных звезд и обладающие соответствующей массой. Поскольку черные дыры кажутся нам реально черными, наблюдать их крайне сложно. Если посчастливится, мы можем увидеть лишь шлейф газа, затягиваемого в черную дыру. Разгоняясь при падении, газ разогревается и испускает характерное излучение, которое мы только и можем обнаружить. Источником газа при этом является другая звезда, образующая парную систему с черной дырой и обращающаяся вместе с ней вокруг центра масс двойной звездной системы. Иными словами, сначала мы имели обычную двойную звезду, затем одна из звезд в результате гравитационного коллапса превратилась в черную дыру. После этого черная дыра начинает засасывать газ с поверхности горячей звезды. Второй тип — это гораздо более массивные черные дыры в центрах галактик. Их масса превышает массу Солнца в миллиарды раз. Опять же, падая на такие черные дыры, вещество разогревается и испускает характерное излучение, которое со временем доходит до Земли, его-то мы и можем обнаружить. Предполагается, что все крупные галактики, включая нашу, имеют в центре свою черную дыру.

Однако основным предметом нашего разговора является не астрофизика черных дыр, а исследование их влияния на структуру пространства-времени.

Согласно теории Эйнштейна черная дыра представляет собой бездонный провал в пространстве-времени, падение в который необратимо. Что упало, то пропало в черной дыре навеки.

У черных дыр очень интересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То есть, черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их свойства не зависят от свойств вещества, из которого они образованы. При любом химическом составе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и теми же. То есть, черные дыры подчиняются только законам теории гравитации — и никаким иным.

Другое любопытное свойство черных дыр заключается в следующем: предположим, вы наблюдаете процесс, в котором участвует черная дыра. Например, можно рассмотреть процесс столкновения двух черных дыр. В результате из двух черных дыр образуется одна более массивная. Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационных волн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения и измерения. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Однако имеются и простые теоретические результаты. Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То есть, при слиянии черных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это так называемая «теорема площадей», она была доказана Стивеном Хокингом (Steven Hawking) в 1970 году.

Источник: elementy.ru

Сила притяжения черной дыры

Много разного было сказано о черных дырах. Об их необычайности, загадочности и устрашающей мощи. Но что же действительно это такое?

Доподлинно это не известно никому. Однако, некоторые наблюдаемые данные имеются. Учёные говорят, что черные дыры имеют огромную массу. Что они «чёрные», то есть совсем не отражают свет. Так же ходят слухи, что внутри чёрной дыры любая материя исчезает бесследно. Кто-то утверждает даже, что эти объекты «ведут» в другую часть вселенной или даже в иную вселенную (что конечно же не доказано).

Если не вдаваться в мифологию и попытаться проанализировать имеющиеся наблюдения — то можно сделать несколько следующих выводов:

1. поскольку черная дыра имеет огромную массу при сравнительно небольших размерах — значит она имеет очень большую плотность (назовем «сверх плотностью«);

2. сверхплотное тело обладает сверх-высокой гравитацией, согласно закону всемирного тяготения;

3. сильная гравитация воздействует, в том числе на фотоны света;

4. тело, обладающее сильной гравитацией — способно притянуть к себе другие тела и даже разрушить их.

Предположим, что черные дыры действительно существуют. Если они не «магические» создания — то они состоят из материи. По одной из версий астрофизиков — минимальная масса черной дыры равна трем массам Солнца и по геометрическим размерам она сравнима с астероидом (то есть в диаметре несколько километров). Так же есть понятие «гравитационного радиуса«: например гравитационный радиус Земли равен около 2 сантиметров (то есть, если бы планета Земля стала бы черной дырой (при нынешней её массе) — то она имела бы размер 2 сантиметра.

Вот этот пример и рассмотрим. Некое тело, размером 2 сантиметра и массой, равной массе Земли. Какой формы было бы это тело? Вероятно, шарообразной (любая другая форма достаточно хрупка и сломается под собственным весом). Из чего бы оно состояло? Если все-же из материи — то, наверно не из атомов. Атомов потребовалось бы слишком много, чтобы «добрать» до массы Земли — и они бы не уместились в диаметре 2 сантиметров. Ну хорошо. Внутри любого атома имеется довольно много пустот, значит, если разобрать атом на более мелкие части — то есть возможность «сложить» их более компактно. Мало того, эти части (протоны, нейтроны — да и электроны) — можно тоже разобрать (теоретически): в них тоже есть огромное количество «пустот». Нейтрино — это материя? Материя. А позитрон — тоже материя. Если тело состоит даже из самых мелких «кварков» — а не из атомов — оно всё равно состоит из материи.

Идем дальше. Если мы имеем маленький шарик, состоящий из очень и очень мелких частиц, которые так сильно прикреплены друг к другу силой тяготения — что это тело будет являться к тому же сверхпрочным, ведь эти частицы практически невозможно ничем сдвинуть; их так же не возможно «раздробить» — ведь они и так, практически самые мелкие. Что этот сверхпрочный шарик, обладающий сверхбольшой силой тяготения сделает с любым «обычным» телом? Притянет к себе вплотную и раздавит. Причём, не просто «размелет в муку» — но и «раздробит» все атомы, а возможно и все более мелкие частицы, из которого состояли атомы вещества, оказавшегося неподалеку от этого сверхплотного «шарика».

Для наглядности: имеем тело, размером с ягоду вишни, массой сравнимой с Земным шаром. Висит эта «вишенка» в межзвёздном пространстве неподвижно (или же медленно движется вместе с галактикой). И вот, поместили рядом с ней яблоко. Что произойдет? Яблоко быстро начнет приближаться в «вишенке». Да, именно яблоко будет двигаться, хоть оно и больше в размере: наш сверхплотный шарик, хоть и мал — тяжелее на столько, что даже трудно себе представить. Вот, яблоко стремительно понеслось в сторону «вишенки» — и начало распадаться ещё на подлете, ведь ближняя сторона яблока будет испытывать бОльшую гравитацию, нежели другие его части. В общем, оно превратится в тонкую струю жидкости ещё до того, как коснется сверх массивного тела. Что потом? Атомы будут по очереди достигать поверхности сверхпрочного шарика, электроны слетать с орбит — а ядра лопаться.

Сила притяжения черной дырыСила притяжения черной дыры

Внутри ядра атома находятся протоны, которые будучи одноимённо заряженными частицами очень сильно отталкиваются друг от друга. Если ядро расколоть (а сделать это очень и очень трудно) — то изнутри высвобождаются огромные ядерные силы: именно на этом основан принцип атомной бомбы и вообще ядерной реакции. Однако, сил черной дыры, по всей вероятности вполне достаточно, чтобы ядро расколоть — но протонам не дать разлететься. А после этого, возможно даже расколоть и оболочки протонов и нейтронов. Откуда такая сила у этой «вишенки»? У нее же масса сравнима всего лишь с массой планеты Земля, а не с Солнцем или звездой Бетельгейзе?

Все дело как раз в размерах. Закон всемирного тяготения гласит, что гравитация пропорциональна массе и обратно-пропорциональна квадрату расстояния. У нашей планеты, например — масса велика: но центр масс находится на расстоянии 6400 километров от её поверхности. Да, мы можем свободно стоять на поверхности Земли и держать яблоко в руках. Ничего особенного не происходит ни с нами, ни с яблоком. Но это только потому, что центр масс находится за тысячи километров от нас. И кроме того, не вся земля (масса) находится вертикально под нашими ногами: большая её часть располагается по сторонам (ведь размер Земного шарика огромен)! А то, что находится «не под ногами» — конечно тоже притягивает, но уже слабее, потому, что под углом: то есть силу тяготения следует умножить на косинус этого угла (а он всегда меньше единицы).

Размер имеет решающее значение. Планета Уран, например в 15 раз тяжелее Земли — но сила тяжести на поверхности Урана меньше земной (потому, что Уран в 60 раз больше в объёме). Если бы Луна состояла из золота — она все равно была бы легче земли во много раз — но сила тяжести на поверхности Луны стала бы больше земной. Можно только попытаться себе представить, какая гравитация должна быть у шарика, который имеет массу Земли — но почти в миллиард раз меньше её в размере…

Итак, наша «вишенка» с лёгкостью засосала яблоко. Яблоко бесследно исчезло. А увеличилась ли при этом в размере сама вишенка? Очевидно, да. А! (скажут некоторые конспирологи)! Вот, вот! А наблюдаемые чёрные дыры «втягивают» целые планетные системы! И не увеличиваются! Значит, там другой принцип, значит материя «улетает» по пространственному тоннелю в другую вселенную!!! Ну, тут следует просто посмотреть на порядок величин. Насколько увеличится «вишенка» в размере после поглощения яблока? А насколько велико яблоко, по сравнению с Земным шаром? (ведь в маленькой вишенке «спрессовано» столько же вещества, сколько его есть на всей Земле)! Насколько больше станет Земля, если привезти откуда-нибудь одно яблоко и положить на её поверхность? Разницу не зафиксирует ни один самый современный прибор. Так вот, эта самая вишенка сможет «засосать» тысячу тонн яблок — и при этом её размер или масса не увеличатся даже на одну сотую процента. Если бы черная дыра имела массу Солнца и диаметр порядка одного километра — то поглотив все планеты нашей Солнечной системы, их спутники, а так же все астероиды и кометы — эта черная дыра увеличилась бы в размере меньше, чем на один процент! Никакой «магии» — одна физика.

Ну ладно. А почему, так называемые «активные» черные дыры имеют вокруг себя «водоворот» из огненно-яркой плазмы? Вернемся к «вишенке» и»скормим» ей, на этот раз не яблоко — а например арбуз. Причём сделать так, чтобы этот арбуз не стоял на месте — а летел с некоторой скоростью около сверх массивной «вишенки». Приблизившись на расстояние, ну например — ста метров к вишенке — арбуз окажется раздавлен, на этот раз не только гравитацией — но и собственной инерцией. Он тоже превратиться в струю жидкости или даже газа — но эта струя будет не прямая, а слегка изогнутая. Черная дыра эту струю конечно потянет к себе — но на этот раз по спиральной траектории. Теоретически, движение по спирали может быть почти бесконечным: гравитация массивного тела разгонит частицы бывшего арбуза до такой круговой скорости, при которой инерция движения сравняется с тяготением (условия орбитальной невесомости). Однако абсолютное равновесие вряд ли возможно, более вероятно, что каждая частица будет двигаться по своей собственной эллиптической траектории, при этом неизбежны столкновения частиц и выделение тепла в результате трения. А поскольку эти столкновения происходят не на поверхности черной дыры (которую ещё называют «горизонтом событий») — а на некотором расстоянии от нее — то свет, и даже более тяжёлые частицы вполне имеют возможность покинуть «цепкие гравитационные объятия» этого небесного «монстра».

Ни у кого не вызывает сомнений, что черная дыра — чрезвычайно мощная вещь. Она способна создать огромное количество энергии, даже большее, чем звезда той же массы, лишь с той разницей, что для производства энергии черной дыре нужно «скармливать» обычную материю. «Обычной» же материи во вселенной предостаточно. Забрасывай в небольшую черную дыру в микроскопическом количестве обычный песок или камни — и получай колоссальное количество тепла и света! Если бы была возможность иметь такой шарик из сверхплотной материи в хозяйстве — все энергетические проблемы были бы решены.

А насколько опасны черные дыры? В научно-популярных фильмах и познавательных статьях черную дыру преподносят как коварного монстра, который пожирает все на своем пути и от которого не возможно скрыться. Какую же на самом деле опасность может представлять шар из сверхплотной материи?

Попробуем рассмотреть черную дыру с массой, равной Солнцу. Для наглядности даже установим её в то место, где находится наше Солнце (то есть заменим его черной дырой). Речь не идет конечно о том, что наше солнце вдруг превратилось в черную дыру путём взрыва Сверхновой (предполагается, что это самый распространенный способ образования черных дыр — взрыв сверхновых звезд). Просто, уберем солнце — а вместо него поставим шар, диаметром около одного километра, состоящий из сверхплотной материи, причем сделаем так, чтобы центр масс не изменился. Что произойдет с планетами Солнечной системы, в том числе с Землей? Не правильно! Ничего не произойдет. Ну, верней, не то что бы совсем ничего — но ничего серьёзного. Они будут двигаться по своим орбитам, без изменения. Ни кто ни кого не «сожрет». Свет, правда, перестанут получать планеты. И тепло перестанут. Позамерзают жидкости и газы (правда, не все). На земле через несколько недель начнется ледниковый период — но все это не последствия деятельности черной дыры — а последствия отсутствия Солнца. А какая опасность от этой черной дыры? Если астронавты вдруг решат полететь далеко в космос и долетят до того места, где раньше был самый центр Солнца — то им, само собой не поздоровится. Однако же, им удастся продвинуться намного дальше, чем если бы в этом месте действительно находилась наша звезда. К Солнцу например, не возможно подлететь ближе, чем на десять миллионов километров: начнет плавиться любой металл. А радиус «пагубного» действия сверхплотного шарика той же массы, что и Солнца — намного скромнее: на расстоянии одного миллиона километров астронавтам не будет угрожать опасность (космический корабль будет просто вращаться с большой скоростью вокруг этого объекта, а сойти с такой орбиты в общем то так же легко, как и с любой другой орбиты вокруг Солнца).

Сила притяжения черной дыры

Если дыра более существенной массы, чем солнце — то её поле тяготения распространяется намного дальше. Но не всякое тяготение опасно. Есть довольно уверенное утверждение учёных, что в центре чуть ли не каждой галактики расположена сверх массивная черная дыра. В центре нашей, например — тёмный объект, массой в два миллиарда солнечных масс. Наше Солнце (и все мы) движется по криволинейной траектории благодаря, в том числе гравитации этого объекта, и, как показала практика — это притяжение нас до сих пор не убило.

А если (чисто гипотетически) существовал бы сгусток сверхплотного вещества, массой всего лишь в сотню тысяч тонн (масса микроскопическая, по сравнению со звездами или планетами)? Такая черная дыра имела бы размер пылинки и её можно было бы рассмотреть только через толстую лупу (верней не её саму, а тень, которую бы она отбрасывала). Представим, что такой объект висит себе в околоземном космосе, обращаясь вокруг земли по круговой орбите. Что произошло бы с астронавтом в скафандре, который решил бы приблизиться к такой черной дыре? На расстоянии пары сотен метров он, возможно почувствовал бы слабое тяготение, которое заставило бы его медленно двигаться вокруг этого объекта по круговой или эллиптической орбите. Никакого серьёзного воздействия на своё тело он бы не обнаружил. Если он решит приблизится с этому сверх массивному телу (например, с помощью портативного реактивного двигателя) до расстояния нескольких метров — то начнет ощущать серьёзные перегрузки в критических точках эллиптической орбиты. Ему придется свернуться в клубок, чтобы легче перенести сильную гравитацию — в противном случае его тело будет в прямом смысле ломать, поскольку разные части тела находятся на разном расстоянии от источника сильной гравитации и будут пытаться вращаться вокруг массивного тела по разным траекториям. Вытягивать руку в сторону источника тяготения было бы категорически запрещено инструкцией по технике безопасности, так же, как и подлетать ближе определённого критического расстояния. И это при том, что объект имеет размер едва различимой пылинки.

Может ли существовать такая черная дыра, которой можно безопасно коснуться? Схватить её за горизонт событий, так сказать — голыми руками? Теоретически может. Если её масса будет всего несколько килограмм и она будет иметь нано-метрические размеры. В руки её взять не удастся: она на столько мала, что легко пройдет сквозь тело. Человек проведет рукой по тому месту, где находится микроскопическая дыра — и ничего не почувствует: мельчайшее сверхплотное тело повредит лишь пару-тройку атомов руки и почти не сдвинется с места (имеется в виду, что этот объект находится в вакууме и в невесомости). Но если задержать руку или иную часть тела так, чтобы черная дыра некоторое время оставалась внутри организма — то будет иметь место небольшое жжение. Это, кстати могло бы иметь даже терапевтический эффект в том случае, если требуется удалить не нужные ткани организма без операционного вмешательства.

Можно ли иметь маленькую черную дыру на Земле (например в земной лаборатории)? В этом есть большая сложность. Если «дыра» слишком маленькая, то её не возможно будет ни в чем удержать (проникнет между атомами любой лабораторной посуды, сквозь пол, сквозь бетон, через горную породу земной коры, сквозь мантию — и остановится в центре масс Земли (то есть в самом её центре). Если она будет намного больше атомов веществ и не сможет легко «проскользнуть» между ними — то все равно произойдет то же самое, только с серьёзными разрушениями: черная дыра «прорубит» себе путь через любое вещество и быстро погрузится в самые недра. Удержать сверхплотную материю с помощью каких-нибудь сильных электромагнитов вряд ли удастся: скорей всего она не «восприимчива» к магнетизму. Может быть удастся её «притянуть» к какому-нибудь очень тяжёлому материальному объекту — например к большому железному шару, расположенному над ней — и тогда сверхплотная крупинка «прогрызет» себе путь в середину этого шара, останется там и будет разъедать его изнутри, вырабатывая энергию (шар будет разогреваться все сильнее). Может быть есть возможность удержать черную дыру от погружения в недра земли с помощью направленной струи вещества (например, на водяной струе, или на струе из песка). Самое лучшее, что можно было бы придумать для хранения черных дыр в земных условиях — это камера с «невесомостью» (но таковая, к сожалению пока не придумана).

Понятно, что «упущенная» черная дыра, которая провалилась сквозь землю (в прямом смысле слова) — потеряна навсегда: достать её из центра земли нет никакой возможности. Но может ли она принести этим самым вред самой планете? Ответ утвердительный. Она несомненно превратит планету в черную дыру. Но как скоро это произойдет? Наблюдаемые во Вселенной активные черные дыры, в частности Квазары, по словам учёных — существуют сотни миллионов, а то и миллиарды лет. Поглощение материи и переход её в сверхплотную материю (в материю черной дыры) происходит довольно медленно. Виной этому — инерция. Черная дыра в том, что касается гравитации — ничем не отличается от любого другого материального тела. У всех тел есть гравитация. У массивных тел — большая, у лёгких — маленькая. Солнце, вон — обладает огромным тяготением. Земля упала на него? Нет. Почему? Инерция! И другие планеты системы тоже крутятся с начала веков. Вероятно, какие-то и упали. И постоянно что-то падает — но в основном всякая «мелочь». И на землю что-то падает каждый день — но основной спутник, Луна — падать и не собирается, и говорят, что Луна наоборот отдаляется и в будущем вообще улетит. Если что-то серьёзное произойдет — например, луна столкнется с другим объектом — то может быть она и упадет — но вероятность такого исхода — ничтожна. Черная дыра тоже, оказывает на близлежащую материю гравитационное воздействие, и эта материя начинает двигаться вокруг черной дыры, развивая инерцию кругового движения, вектор силы которой направлен противоположно силе тяготения.

Перед тем, как материя окажется поглощена чёрной дырой — она очень долго вращается вокруг нее. Конечно, столкновения частиц происходят намного чаще, чем в Солнечной системе или в галактике — о чем свидетельствует сильно нагретая «аура», сопровождающая активно поглощающие черные дыры. Но возможности даже этого «чёрного монстра» ограничены: невозможно «размолоть» все атомы, которые упали на «горизонт событий» мгновенно; на испепеление каждого слоя атомов требуется время, которое следует умножить на количество слоев этих атомов (либо других частиц). Черная дыра очень мала в объёме (по сравнению с обычной материей), а значит этот самый горизонт событий имеет довольно малую площадь поверхности. Если сверхплотная материя, размером с атом и массой равной миллиарду атомов покроется со всех сторон атомами «обычной» материи — то потребуется всего десяток атомов, чтобы накрыть полностью горизонт событий. Допустим, что все эти атомы она сможет растереть за секунду. Тогда, чтобы «размолоть» миллиард атомов (и стать в два раза больше) — потребуется сто миллионов секунд (ну, или чуть меньше, ведь она при этом будет постепенно расти). И это в том случае, если атомы вещества будут послушно ложиться на горизонт событий (а инерция будет препятствовать им это делать). Следовательно, если гипотетическая «черная дырочка» и провалится внутрь нашей планеты — в нашем распоряжении все-же будет пара десятков миллиардов лет. Превращение планеты в черную дыру начнется с её разогрева и увеличения в объёме.

А может в недрах нашей планеты уже есть маленькая черная дыра (кто знает)? Может именно она поддерживает ядро в огненно-жидком состоянии, в результате чего имеет место вулканическая активность? Ведь некоторые планеты проявляют такую активность, а некоторые нет? Есть такие, в которых ранее была активность — но потом иссякла, да. Однако, можно сделать предположение, что активность недр планет может быть вызвана как наличием черной дыры, так и другими факторами (например, «приливным» движением почвы из-за эллиптической орбиты или ещё чем-то). Ещё может быть такое, что черная дыра, попавшая внутрь твёрдого шарообразного тела уничтожила самый центр и осталась висеть в равновесной невесомости центра масс: в неактивном состоянии она могла бы просуществовать бесконечно долго. Это, конечно просто теория! Но может Солнце и другие звезды имеют в своих недрах довольно много сверхплотной материи, по этому они производят много энергии? Интересно, если бы мизерные черные дыры действительно существовали, как их можно было бы добыть?

Для этого есть два способа. Первый наиболее вероятный — но и наиболее сложный: искать в центрах масс звезд, планет и малых планет (особенно тех, которые выделяют собственное тепло). Второй способ легче, но вероятность успеха ниже: создать. Рассмотрим второй способ. Как (по версии астрофизиков) обычно образуются черные дыры? Путём взрыва сверхновых звезд. Не каждый взрыв сверхновой звезды приводит к образованию черной дыры — но в некоторых случаях они все же образуются в результате таких взрывов. Значит, если инициировать достаточное количество подобных взрывов — когда-нибудь повезет и в центре взрыва может образоваться сверхплотная материя. Остается только вопрос: каким образом можно вызвать эти взрывы?

Взрыв сверхновой звезды может и имеет сложную причину — но процесс образования черной дыры представляет собой ни что иное, как столкновение частиц материи. Энергия такого столкновения должна быть такова, чтобы раскололись атомы и, возможно другие субатомные частицы — чтобы в результате появилось хотя бы небольшое количество сверхплотной материи. Если этого «сверхплотного порошка» будет достаточно для того, чтобы суммарная гравитация сверхплотной материи могла «крошить» атомы другой, обычной материи — то можно считать, что цель достигнута. Нужно, чтобы образовавшаяся черная дыра могла самостоятельно «кормиться» и увеличиваться в размере. Предположим, к примеру, что средний атом вещества нужно расколоть на тысячу одинаковых частиц — тогда получится сверхплотная материя. Эти тысяча мелких частиц слипнуться в результате гравитации — и получится черная дыра. Она будет настолько маленькой, что её масса будет равна массе среднего атома. Если рядом с ней будет другой «средний» атом — то она вряд ли сможет его расколоть. Сил будет явно не достаточно. Она, возможно облепит себя атомами близлежащей материи — но на этом все и закончится. По этому, такое мизерное количество сверхплотной материи нельзя назвать полноценной черной дырой: она не сможет «засасывать» материю, не сможет кормиться и увеличиваться в размере. И никакой энергии не выработает. Толку от нее — ноль. Нужно, чтобы сверхплотной материи было побольше, тогда собравшись воедино — такая материя сможет быть активной. Некоторые физики говорят о том, что слишком мелкие черные дыры имеют обыкновение «испаряться» — что, в принципе противоречит закону Всемирного тяготения: возможно они имеют в виду не ту «сверхплотную материю», о которой здесь ведется речь.

Но вполне возможно, что сверхплотную пыль можно собрать или накопить. То есть произвести небольшую порцию, затем ещё порцию и так далее, пока не накопится достаточное количество материала, чтобы получилась черная дыра. Но каким образом можно «размолоть» атом? Очевидно, разогнать два атома и столкнуть их друг с другом. То есть, нужен коллайдер или ускоритель, в который разгоняет частицы и сталкивает их между собой. Однако, в мире существует довольно большое количество дорогостоящих ускорителей, но пока никто не заявлял, что была получена черная дыра. Ускоритель разгоняет частицы до около световой скорости, возможно до большей скорости — нежели та, с которой распространяется взрывная волна сверхновой звезды. Однако, у ускорителя есть существенный недостаток: он способен разогнать частицы лишь по отдельности и не может столкнуть куски материи большие, чем молекулы. Упавший метеорит, к примеру, способен выделить намного больше энергии в единицу времени — чем самый современный коллайдер, хотя скорость частиц в тысячи раз меньше той, которой достигает ускоритель. Значит, нужно разгонять не атомы по одиночке — а большие группы атомов, чтобы «размалывание» происходило не только в первый момент удара — а продолжалось за счёт инерции, при которой два массивных «куска» материи продолжают двигаться навстречу друг другу.

Следовательно, нужно создать специальный коллайдер, который должен разгонять не элементарные частицы по отдельности — а более массивные «сгустки» материи — не обязательно до «около световой» скорости. И не обязательно нужно сталкивать такие массивные тела, как астероиды. Возможно, достаточно было бы разогнать около килограмма материи до «космической» скорости и резко остановить её. Например, раскрутить два маховика в одном направлении вращения и прижать друг к другу. Сами маховики при этом не остановятся — а будут продолжать двигаться некоторое время, но те части вещества, которые в первые моменты столкновения испытали огромную перегрузку — будут продолжать испытывать возрастающее давление от напирающих последующих слоев. Если будет выполнена задача «максимум» — то произойдет следующее: те частицы, которые вступили в столкновение самыми первыми — будут растерты в мельчайший порошок и станут сверхплотной материей. Последующие слои материи будут более грубого «помола» (условно, это будут куски атомов) — и станут первой «пищей» для вновь образованной черной дыры (атомы она осилить не сможет, а части атома будет способна переработать в сверхплотную материю). После того, как эта «специальная» пища будет употреблена — масса сверхплотного тела станет достаточной, чтобы всасывать любую обычную материю.

Проблема лишь в том, что маховик нельзя разгонять до бесконечности: в какой-то момент он просто разлетится, не достигнув требуемой скорости. Но все же, маховик способен выдать «взрывную» кинетическую энергию. Он должен быть выполнен из прочного материала и иметь форму шара, или ещё лучше — эллипсоида (вытянутого шара): чем более он будет «вытянут» — тем до большей скорости удастся разогнать экваториальную его часть — до того, как он разрушится. Теоретически, «экваторы» двух маховиков можно разогнать до скоростей в несколько сот километров в секунду, что может дать суммарную скорость в тысячу километров в секунду. Это во много раз больше, чем скорость метеорита, падающего на Землю. Если поверхности экваторов этих эллипсоидов будут состоять из очень плотного вещества, такого как вольфрам, золото, уран или иридий, то возможно, возникшее колоссальное трение сможет стать импульсом для образования сверхплотной материи. А может наоборот, такие маховики должны состоять не из плотного металла — но быть сверх-прочными, например из алмаза, из нанотрубчатого волокна или намотанные из сверхпрочной паутины!

Сила притяжения черной дыры

Разгонять такие маховики следует, естественно в вакууме. И лучше всего в невесомости — иначе трение осей не позволит разогнать их до сколько-нибудь значительной скорости. Лучше всего это делать за пределами планеты Земля, поскольку именно там можно «найти» невесомость. Есть вероятность того, что в результате трения-столкновения произойдет сильный нагрев и начнется термоядерная реакция. Но есть надежда (конечно, чисто теоретически) — что образуется какое-то количество сверхплотного вещества до того, как остальная материя разлетится от взрыва. Если маховики будут абсолютно одинаковой массы и размера, к тому же будут вращаться с равной скоростью — то горстка сверхплотного вещества, образовавшегося в результате трения теоретически окажется в неподвижном состоянии. А когда «утихнет пламя» — в центре будет продолжать тлеть уголёк, представляющий собой микроскопическую черную дыру и вращающуюся вокруг него с бешеной скоростью перегретую плазму.

Возможно, самым сложным в процессе синтеза черных дыр является не само создание — а способность не потерять то, что было произведено. Ведь сверхплотное тело будет столь микроскопическим (и к тому же невидимым) — что отыскать его будет весьма трудно. Даже в пустом космосе. Наверно, завод по производству черных дыр будет целесообразно строить на поверхности небольшого астероида: в таком случае есть надежда, что после сжигания маховиков образовавшаяся сверхплотная материя «застрянет» в почве малой планеты и переместится в её центр. Там же она могла бы накапливаться, если эксперименты производят слишком мало сверхплотного «порошка». Что будет, если сблизятся две черных дыры? Наверно, они будут вращаться друг вокруг друга, а если подействуют внешние факторы — то столкнутся и сольются в один шар. Если на поверхности астероида проводить эксперимент за экспериментом — то рано или поздно температурные датчики недр покажут увеличение температуры. Это укажет на то, что в центре масс малой планеты появилась активная черная дыра, способная поглощать обычную материю и выделять энергию. Можно выкапывать. Или лучше оставить на месте и превратить этот астероид в электростанцию.

Насколько реально изготовить «черную дыру» уже в ближайшее время? На этот вопрос прямого ответа конечно нет: можно только сказать: «надо пробовать». Насколько это опасно? Естественно, опасно, но катастрофу планетного масштаба едва ли можно вызвать, раскрутив пару больших маховиков.  Но ведь может возникнуть сверхплотная материя без всякого атомного взрыва в средненькой лаборатории, а может даже в гараже какого-нибудь энтузиаста? Если бы кому-то удалось создать что-либо подобное, или хотя бы сделать пару шагов в этом направлении — это было бы весьма интересным, а может даже эпохальным событием.

Автор: Дмитрий Беленец (Dmitry Belenets)

Если информация на этом сайте была полезна для Вас — поделитесь с друзьями:

Источник: naturalist.pro


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.