Чёрные дыры: возникновение и эволюция

 

В 1973 году Стивен Хокинг начал исследовать, какое влияние принцип неопределенности окажет на частицу в искривленном пространстве времени вблизи черной дыры. Довольно примечательно его открытие, что черная дыра не будет совершенно черной. Принцип неопределенности позволит частицам и излучению постоянно выскальзывать из нее. Этот результат стал полным сюрпризом и был встречен общим недоверием. Но задним числом он показался очевидным. Черная дыра – это область пространства, из которого невозможно вырваться, если двигаешься со скоростью меньше скорости света. Но, согласно Фейнману, частицы могут выбрать любой путь через пространство время. Следовательно, частица может двигаться быстрее света. Вероятность того, что она преодолеет длинное расстояние со сверхсветовой скоростью, мала, но частица может пролететь достаточно, чтобы вырваться из черной дыры, а потом снизить свою скорость до досветовой. Таким образом, принцип неопределенности позволяет частицам вырваться из, казалось бы, последнего узилища – из черной дыры. Вероятность того, что частица вырвется из черной дыры массой с Солнце, очень мала, потому что ей придется преодолеть со сверхсветовой скоростью несколько километров. Но могут существовать гораздо меньшие черные дыры, сформировавшиеся в ранней Вселенной. Эти первобытные черные дыры могут быть по размеру меньше атомного ядра, но их масса может достигать миллиардов тонн – как масса горы Фудзи. Они могут производить столько же энергии, как большая электростанция. Вот бы найти такую черную дыру и запрячь ее энергию! К сожалению, похоже, по Вселенной их разбросано не так уж много.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Интересные факты и повсеместные заблуждения.

 

1. Чёрные дыры имеют очень большую силу гравитации.

 

2) Они не бесконечно малы

 

Хорошо, они малы, но насколько  они малы?

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 считал, 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 определённом 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 горизонта 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 должна 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 фейерверк... 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 Эйнштейну, 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 со 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 бешеной 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 бешено 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 очень большому количеству рентгеновских снимков у стоматолога.

 

8) Чёрные дыры не всегда опасны.

 

Сделав такое утверждение, я задам вам вопрос: если бы мы взяли и при помощи гранул кофе  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  вокруг 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 центре 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.