Цитата сообщения infohom Десять фактов о чёрных дырах, которых вы не знали

"Ну, они чёрные и, это, как бы бездонные дыры. Как ещё их назовёшь?"

— Мой ответ на вопрос друга: "Почему они называются чёрными дырами?"

Чёрные дыры. Пылесосы космоса, ненасытные акулы, пауки, раскинувшие свою сеть... Нечто страшное. Но мы очарованы ими, в этом нет сомнения — хотя и многое в них не понимаем.

И именно для этого я здесь. Позвольте мне быть вашим проводником в бесконечность. Или, в её противоположность, если угодно. Поскольку сейчас хэллоуин, сейчас это будет кстати... Недавно вышла моя книга "Смерть с небес!", и в ней есть множество способов, которыми земля может быть уничтожена чёрной дырой. Уа-хахахаха!

Ниже я приведу десять фактов о чёрных дырах. Это третий выпуск моей серии "Десять вещей, которых вы не знали" — первый был о Млечном Пути, второй о Земле. Постоянные читатели слышали об описываемых здесь вещах, поскольку я о них говорил в прошлом, но я надеюсь, что вы не знаете их всех. А если знаете, не стесняйтесь похвастаться своей гениальностью в комментариях. Тем не менее, этот список далеко не полный, я могу насчитать около пятидесяти странностей чёрных дыр. Но мне нравятся эти десять.

Итак, для начала очень короткое введение в чёрные дыры. Потерпите немного.

Самый распространённый способ появления чёрной дыры - это образование её в ядре массивной звезды. У ядра заканчивается топливо и оно обрушивается внутрь себя. Это вызывает ударную волну, разрывающую внешние слои звезды - и появляется сверхновая. То есть ядро схлопывается, а остальная часть разлетается в космос. (Это упрощённое описание, если вы захотите узнать подробности, которые достаточно интересны, загляните в моё описание этого процесса)

Когда ядро схлопывается, его гравитация увеличивается. Если ядро достаточно массивно (в три раза массивнее Солнца), то в какой-то момент гравитация становится настолько сильной, что скорость, необходимая для того, чтобы оторваться от поверхности ядра, становится равной скорости света. Это означает, что уже ничто не может оторваться от этого объекта, даже свет. Так что этот объект тёмный. И, поскольку ничто из него не может выбраться... читайте эпиграф.

Область вокруг чёрной дыры, где скорость отрыва равна скорости света, называется горизонтом событий. Любое событие, которое произойдёт за этим горизонтом - останется невидимым навсегда.

Теперь, когда вы знаете что они такое и как они формируются, я мог бы объяснить почему у них такая сильная гравитация, но знаете что? Я лучше позволю это сделать этому парню. Я слышал, он хорошо умеет это делать:



(Видео, на котором автор объясняет, почему гравитация чёрной дыры сильнее гравитации обрушившейся звезды. Дело в том, что помимо массы важно расстояние. Чёрная дыра настолько мала, что ко всей её массе можно приблизиться вплотную)

Так что, масса важна, но иногда дело не только в ней.

2) Они не бесконечно малы

Хорошо, они малы, но насколько они малы?

Я писал о чёрных дырах на моей предыдущей работе, и у нас был забавный спор о том, что мы подразумеваем под чёрной дырой: сам объект, который превращается в точку, или горизонт событий? Я считал что горизонт событий, а мой начальник считал что точка (Точка! Сейчас умру со смеху!) и он настоял на том, чтобы я был предельно точен, когда пишу о горизонте событий а не о чёрной дыре.

Итак, для схлопывающегося ядра время продолжает тикать, так что оно видит себя непрерывно уменьшающимся в точку, даже если горизонт событий имеет некоторый конечный размер.

Что происходит с ядром, той массой, которая схлопывается?

Мы никогда этого не увидим. Мы не можем туда посмотреть и ядро совершенно точно не пришлёт оттуда какую-нибудь информацию. Но наша математика в таких ситуациях отлично помогает и мы по крайней мере можем применить её к ядру, даже если оно меньше горизонта событий.

Оно будет продолжать схлопываться и гравитация будет увеличиваться. Меньше, меньше... и когда я был совсем маленьким, я всё время читал что оно превращается в геометрическую точку - объект, у которого вообще нет размера. Можете представить, как это сбивало меня с толку. И должно было сбивать. Потому что это неправильно.

В какой-то момент схлопывающееся ядро будет меньше атома, меньше электрона. Оно достигнет размера, называемого Постоянной Планка, настолько малой величины, что квантовая механика взяла её за отправную точку. Постоянная Планка это нижний предел квантовой величины - если объект меньше её, то мы не сможем узнать о нём хоть что-либо определённое. Физика вообще сложна, но она становится ещё сложнее, когда схлопывающееся ядро достигает этой величины. Даже если мы сможем как-нибудь проникнуть за горизонт событий, мы не сможем узнать её размер. А раз сама Вселенная не даёт вам его измерить, то вы можете решить, что этот термин не имеет смысла.

Так насколько же мала Постоянная Планка? Очень мала, около десяти в минус тридцать пятой степени метров. Это одна стоквинтиллионная протона.

Так что если кто-то говорит, что у чёрной дыры нулевой размер, можете с умным видом сказать, что не совсем. Но близко к тому.

3) Это сферы, а совсем не воронки.

Гравитация, которую вы чувствуете от объекта, зависит от двух вещей - массы объекта и вашего расстояния до него. Это значит что все кто находится на опроделённом расстоянии от массивного объекта, например в миллионе километров, будут чувствовать одинаковую силу притяжения к нему. Это расстояние определяет сферу вокруг объекта - все кто находится на поверхности этой сферы будут чувствовать одинаковую гравитацию объекта, находящегося в центре.

Размер горизонта событий чёрной дыры зависит от гравитации, так что на самом деле он - сфера, окружающая чёрную дыру. Если бы вы придумали как увидеть горизонт событий, он мог бы выглядеть как абсолютно чёрный шар.

Некоторые думают, что чёрные дыры это кольца, или, хуже того, воронки. Это недоразумение, придуманное людьми, пытающимися объяснить гравитацию как вмятину в пространстве, они просто заменили трёхмерное пространство двумерным и сказали что пространство как кровать, и объекты, имеющие массу, продавливают его, точно так же как кое-что тяжёлое (например шар от боулинга) делает вмятину в кровати. Но пространство не двумерно, оно трёхмерное (даже четырёхмерное, если учесть время), так что эти объяснения могут ввести людей в заблуждение о том, какова форма горизона событий чёрных дыр.

Меня дети спрашивали, что будет если подойти к чёрной дыре с обратной стороны! Они не понимают, что чёрные дыры это сферы, и у них нет обратной стороны. Я не одобряю эту байку про воронки, но к сожалению, это лучшая аналогия из всех что я видел, так что мы в ней застряли. Используйте её с осторожностью.

4) Чёрные дыры вертятся!

То что чёрные дыры могут вращаться - довольно необычная мысль. Звёзды вращаются, и когда ядро скукоживается, вращение ускоряется очень сильно (привычная аналогия - фигурист, прижимающий руки, чтобы увеличить скорость вращения). Чем меньше становится ядро, тем быстрее оно вращается. Если у него не хватит массы чтобы стать чёрной дырой, материя сплющится и превратится в нейтронную звезду, шар из нейтронов в пару километров шириной. Мы обнаружили тысячи таких объектов и они обычно вращаются очень быстро, иногда делая сотни оборотов в секунду!

То же самое справедливо и для чёрных дыр. Не смотря на то, что материя сжимается до размеров меньше горизонта событий и теряется для внешней Вселенной, она продолжает вращаться. Не совсем понятно, к чему это приводит. Может быть, центробежная сила удерживает материю от схлопывания всё время падения до размеров Постоянной Планка? Это жуткая математика, но она решаема, и она говорит, что падающая в дыру материя должа сталкиваться с материей, уже находящейся за горизонтом событий, которая пытается упасть ещё глубже, но не может из-за вращения. Должно быть, внутри дыры очень тесно и там очень красивый феерверк... Но мы этого никогда не увидим, потому что всё это происходит на другой стороне бесконечности. А жаль.

5) Вблизи чёрных дыр всё очень странно

Вращение чёрной дыры лихо заворачивает сюжет. Чёрная дыра искажает ткань самого пространства, и раз дыра вращается, то искажается само искажение. Пространство закручивается вокруг чёрной дыры как если бы ткань простыни оказалась намотанной на пропеллер.

Это приводит к появлению участка пространства за пределами горизонта событий, называемого эргосферой. Он имеет форму сплюснутого мяча, и если вы за пределами горизонта событий но внутри эргосферы, вы обнаружите, что вы не можете усидеть на месте. В буквальном смысле. Пространство будет дёргаться под вами и носить вас за собой. Вы сможете без проблем двигаться в направлении вращения чёрной дыры, но если попытаетесь застыть, вы не сможете. Внутри эргосферы пространство движется быстрее света! Материя не может так быстро двигаться, но само пространство, согласно Энштейну, может. Так что если вы захотите зависнуть над чёрной дырой, вам придётся двигаться быстрее света в противоположную от её вращения сторону. А поскольку вы этого сделать не сможете, то у вас будет три выбора - двигаться вместе с вращением, улететь оттуда, или провалиться в дыру.

Я советую улетать. И как можно быстрее. Потому что...

6) Приближение к чёрной дыре может убить вас множеством забавных способов. И говоря "забавно" я имею в виду кроваво, жутко и очень, очень жестоко.

В самом деле, если вы подошли слишком близко - бултых - и вы уже там. А если и держите дистанцию, то всё равно у вас проблемы.

Гравитация зависит от расстояния. Чем дальше вы от объекта, тем слабее его притяжение. Поэтому если приблизить длинный объект к массивному, он будет испытывать более сильное притяжение на ближнем конце, чем на дальнем! Такое изменение гравитации с расстоянием называется приливной силой (что не совсем корректно, т.к. это не сила, а разность сил, но да, именно она является причиной влияния Луны на океанские приливы на Земле).

Суть в том, что чёрные дыры могут быть малы — ЧД с массой втрое больше Солнца имеет радиус горизонта событий всего в несколько километров — а значит к ним можно подойти довольно близко. А это в свою очередь означает, что возникающая приливная сила может быть весьма велика.

Скажем вы падаете ногами вперёд в ЧД с звёздной массой. Тогда по мере приближения разница гравитации между вашими головой и ногами станет огромна. ОГРОМНА. Сила будет настолько велика, что ваши ноги отдёрнет с силой, в миллион раз превышающей земную гравитацию. Вы вытянетесь в тонкую ниточку, а затем порвётесь.

Астрономы называют это "спагеттификацией". Брррр.

Поэтому приближаться к чёрной дыре опасно, даже если вы в неё не упадёте. Как видите, "в делах людских прилив есть и отлив" [Шекспир].

7) Чёрные дыры не всегда тёмные.

Фишка в том, что чёрные дыры могут убивать на большом расстоянии.

Падающая в чёрную дыру материя редко, или даже никогда не падает по прямой. Если у неё есть хоть малейшее отклонение, она пойдёт вокруг чёрной дыры. Когда засасывается множество материи, всё это облако начинает клубиться вокруг дыры. В соответствии с правилами поведения вращающихся объектов, она соберётся в диск, вертящийся вокруг чёрной дыры с бешенной скоростью, и поскольку гравитация чёрной дыры быстро возрастает по мере приближения к ней, то ближе к центру она будет вращаться быстрее, чем по краям. Эти частицы вещества трутся друг о друга, создавая тепло. Так что диск вокруг дыры может разогреться до миллионов градусов. А поскольку горячая материя излучает свет, то вблизи чёрной дыры она неслабо светится.

Более того, магнитные и прочие силы могут сфокусировать два луча энергии, которые протянутся от полюсов диска. Начинаясь прямо у чёрной дыры, эти лучи могут быть видны на расстоянии миллионов и даже миллиардов световых лет.

И они светятся.

На самом деле чёрные дыры, поглощающие материю могут светиться так ярко, что станут самыми яркими объектами непрерывного излучения во вселенной! Мы их называем активными чёрными дырами.

И даже если сами черные дыры не так опасны, поглощаемая ими материя настолько нагревается, что начинает бешенно испускать рентгеновские лучи и свет высокой энергии (а эти лучи могут излучать свет с ещё большей энергии). Поэтому даже если вы припаркуете свой космический корабль на значительном расстоянии от радиуса действия черной дыры, если что-нибудь будет в нее затянуто и расщеплено, то вас хорошенько прожарит излучение, эквивалентное охренеллиону рентгеновских снимков у стоматолога.

Кажется, я уже говорил - чёрные дыры опасны. Держитесь от них подальше.

8) Чёрные дыры не всегда опасны.

_

Сделав такое утверждение, я задам вам вопрос: если бы я взял и при помощи гранул кофе Folgers заменил Солнце на черную дыру той же массы, что бы произошло? Землю бы притянуло, отбросило или бы она продолжила вращаться как ни в чем не бывало?

Большинство людей думает, что Земля будет поглощена, будучи затянутой сильнейшей гравитацией черной дыры. Но вспомним, что притяжение к объекту, которое вы чувствуете, зависит от массы этого объекта и от расстояния до него. Помните, я говорил, что масса упомянутой черной дыры равна массе Солнца? И расстояние до Земли останется тем же. Таким образом, притяжение, которое мы будем ощущать здесь, на расстоянии 150 миллионов километров, будет абсолютно таким же! Поэтому Земля будет вращаться вогруг солнечной черной дыры точно так же, как она сейчас обращается вокруг Солнца.

Хотя мы конечно замёрзнем насмерть, нельзя же иметь всё сразу.

9) Чёрные дыры могут стать большими.

Вопрос: что произойдёт, если две дыры пересекутся?

Ответ: получится одна дыра.

Этот ответ можно получить, опираясь на следующее: раз черные дыры могут поглощать другие объекты, в том числе и другие черные дыры, значит они могут расти. Мы полагаем, что на заре зарождения Вселенной, когда галактики еще только формировались, материя в цетре зарождающейся галактики могла образовать очень большую черную дыру. Все больше материи притягивается, дыра жадно поглощает ее и растет. В конце концов получается сверхмассивная черная дыра, в миллионы или даже в миллиарды раз тяжелее Солнца.

Однако, помните, что как только материя затягивается, становится горячо. Становится так горячо, что давление самого света может сдувать материал в окрестностях чёрной дыры подобно солнечному ветру, но в намного большем масштабе. Сила ветра зависит от многих параметров, включая массу черной дыры - чем больше по объему дыра, тем ветреней, м-м-м, ветер. Этот ветер препятствует притяжению материи, он работает подобно отсечному клапану для непрерывно жиреющей дыры.

Более того, со временем газ и пыль вокруг черной дыры (ну, довольно далеко, но все-таки вблизи от центра галактики) обращаются в звезды. Газу попасть в чёрную дыру намного легче, чем звезде — при лобовом столкновении два газовых облака останавливаются относительно чёрной дыры, что облегчает их падение в неё; звёзды же слишком малы и слишком разрозненны, чтобы такое могло произойти. Так что в какой-то момент чёрная дыра прекращает поглощать материю, потому что в неё больше нечему падать. Она перестает расти, галактика становится стабильной, и все довольны.

На самом деле, глядя во Вселенную, мы видим, что в центре почти каждой большой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Даже в ядре Млечного Пути находится черная дыра размером в четыре миллиона солнечных масс. Но прежде чем вы начнете бегать кругами и кричать, помните:
1) она очень далеко - на расстоянии 26000 световых лет (260 квадриллионов километров),
2) ее масса все еще слишком мала по сравнению с массой нашей галактики в 200 миллиардов солнечных масс, и, наконец,
3) она не может нам навредить.
Если только не начнет активно питаться. Чего не происходит. Но когда-нибудь это может начаться, если что-нибудь упадет в нее. В любом случае, нам не известно ничего, что может упасть туда в ближайшем будущем. Хотя, мы могли пропустить холодный газ.

Хммм.

Как бы то ни было, запомните: хотя черные дыры могут причинить смерть и разрушения в огромных масштабах, но они также помогают формированию галактик! Так что мы обязаны им своим существованием.

10) Чёрные дыры могут иметь малую плотность

Из всех странностей чёрных дыр эта кажется мне самой странной.

Как вы можете ожидать, по мере роста массы черной дыры горизонт событий также увеличивается в размерах. Потому что если добавить массы, то сила притяжения становится сильнее, что означает увеличение горизонта событий.

Если вы внимательно проделаете вычисления, то обнаружите, что горизонт событий растет линейно относительно массы. Другими словами, если вы увеличите вдвое массу черной дыры, то радиус горизонта событий увеличится также вдовое.

Это странно! Почему?

Объем сферы зависит от радиуса в кубе (вернемся обратно в среднюю школу: объем = 4/3 х π x радиус^3) Увеличьте радиус вдвое и объем возрастет в 2 x 2 x 2 = 8 раз. Сделайте радиус сферы в 10 раз больше и объем увеличиться в 10 x 10 x 10 = 1000 раз.

Итак, объем увеличивается действительно быстро по мере увеличения размера сферы.

Теперь вообразите, что у вас есть две глинянные сферы одинакового размера. Смешайте их. Увеличится ли результирующая сфера вдвое?

Нет! Вы увеличили массу вдвое, но радиус увеличился лишь не на много. Потому что объем соответствует радиусу в кубе, и чтобы увеличить радиус вашего финального шара из глины, вам нужно смешать вместе 8 шаров.

Но у черной дыры все по-другому. Увеличение массы в два раза приводит к увеличению вдове размера горизонта событий. Странный вывод...

Плотность - это количество массы умещающееся в заданном объёме. Оставьте размер прежним и добавьте массу, и плотность возрастёт. Увеличьте объём, но оставьте массу прежней, и плотность упадёт. Это понятно?

Давайте теперь посмотрим на среднюю плотность вещества внутри горизонта событий чёрной дыры. Если я возьму две одинаковые чёрные дыры и столкну их, горизонт событий удвоится, и масса удвоится тоже. Но объём возрастёт в восемь раз! Поэтому плотность на самом деле уменьшится, и станет 1/4 от начальной (двойная масса и восьмикратный объём даёт нам 1/4 плотности). Продолжим делать это и плотность будет уменьшаться.

Средняя чёрная дыра - такая, которая обладает тройной массой Солнца - имеет горизонт событий с радиусом 9 километров. Это означает, что она обладает гигантской плотностью, около двух квадриллионов грамм на кубический сантиметр (2x10^15). Но удвоим эту массу, и плотность упадёт в 4 раза. Возьмём 10-кратную массу и плотность упадёт в 100 раз. Чёрная дыра с массой миллиарда солнечных (как те, которые мы видим в центрах галактик) сбросит плотность в 1x10^18. Это будет плотность приблизительно 1/1000 грамм на кубический сантиметр... и это плотность воздуха!

Черная дыра с массой в миллиард солнечных будет иметь горизонт событий радиусом в 3 миллиарда километров - примерно равно расстоянию от Солнца до Нептуна.

Видите, к чему мы пришли? Если бы вы взяли солнечную систему ограниченную орбитой Нептуна, заключили её в гигантскую сферу, и наполнили её воздухом, она могла бы быть чёрной дырой!

Для меня это самый странный факт о черных дырах. Конечно они деформируют пространство и искривляют время, играют с нашим чувством реальности... но то, как они пересекаются с повседневностью - вот что меня захватывает.

Впервые эта мысль пришла мне в голову несколько лет назад на конференции в Станфорде, посвященной черным дырам. Это произошло когда я прогуливался с известным специалистом в области черных дыр Роджером Блэндфордом (Roger Blandford). Я быстро подсчитал кое-что в уме, чтобы убедиться, что числа правдоподобны и сообщил Роджеру, что Солнечная система, наполненная воздухом, была бы черной дырой. Он на минутку задумался и сказал: "Да, похоже на правду."

И это, друзья мои, был один из прикольнейших моментов всей моей жизни. Но размышления об этом все еще вывихивают мой мозг.

Заключение:

Ну, что я могу сказать? Чёрные дыры необычны.

И поскольку это так, то конечно о них можно рассказать намного больше. Как насчёт червоточин? Откуда они берутся? Что такое излучение Хокинга? Могут ли черные дыры полностью испариться?

Вы можете найти ответы на эти и другие вопросы еще где-нибудь в Сети (или даже в этом самом блоге); я не могу уместить все в десять пунктов! Но я отмечу (реклама!), что пятая глава моей книги "Смерть с небес!" подробно описывает как они формируются и что будет, если подойти к ним слишком близко. Следующие главы рассказывают о черной дыре в ядре Млечного Пути и о том, что случится с черными дырами через много-много лет... буквально через 10^60, 10^70 и даже через гугол лет.