Czarne dziury wydają się nam czymś odległym, o czym czasami kręcą filmy lub piszą w książkach. Rzadko myślimy o tym, co by się stało, gdyby na powierzchni naszej planety pojawiła się miniaturowa czarna dziura o średnicy jednego milimetra. O tym - w naszym materiale.
Istnieje popularne nieporozumienie związane z czarnymi dziurami: są one rodzajem odkurzaczy kosmicznych, które pochłaniają wszystko, co znajduje się w ich otoczeniu. Oczywiście „żywią się”, ale ich żołądki są małe. Problem nie pojawia się, gdy „jedzą”, ale gdy „wymiotują” po zbyt dużej ilości obiadu. To naprawdę przerażające.
W rzeczywistości jest to trochę bardziej skomplikowane. Biorąc pod uwagę fakt, że promień czarnej dziury jest proporcjonalny do jej masy, można wykonać pewne obliczenia. Najpierw przypomnijmy sobie kilka podstaw.
Co to jest czarna dziura
Czarna dziura to obszar przestrzeni, w którym grawitacja jest tak silna, że nawet światło nie może jej opuścić. Siła grawitacji powoduje, że sama struktura czasoprzestrzeni wygina się i blokuje. Wszystko to dzieje się dzięki kompresji materii - najczęściej są to pozostałości masywnej gwiazdy - w niezwykle małym obszarze.
Struktura czarnej dziury: osobliwość, horyzont zdarzeń i promień Schwarzschilda (obszar od osobliwości do horyzontu zdarzeń).
W rzeczywistości nie możemy zobaczyć czarnych dziur, ponieważ światło nie może się z nich wydostać. Okazuje się, że aby opuścić czarną dziurę, jakikolwiek obiekt musi rozwinąć prędkość większą niż prędkość światła, które z kolei porusza się z prędkością 299 792 458 metrów na sekundę. Dla porównania, prędkość ucieczki w celu pokonania ziemskiej grawitacji wynosi zaledwie 11,2 kilometrów na sekundę. Gdybyśmy jednak wystrzelili rakietę z planety, która waży tyle co Ziemia, ale o połowę mniejszą, to prędkość ucieczki wyniosłaby 15,8 kilometrów na sekundę. Nawet gdyby obiekt miał taką samą masę, prędkość ucieczki byłaby większa ze względu na jego mniejszy rozmiar, a tym samym większą gęstość.
Film promocyjny:
A jeśli jeszcze bardziej zmniejszymy obiekt? Jeśli skompresujemy masę Ziemi w kulę o promieniu dziewięciu milimetrów, prędkość ucieczki osiągnie prędkość światła. Jeśli ta masa zostanie ściśnięta w jeszcze mniejszej kuli, wówczas prędkość ucieczki przekroczy prędkość światła. Ale ponieważ prędkość światła jest kosmiczną granicą prędkości, nic nie może opuścić tej sfery.
Promień, przy którym masa ma prędkość ucieczki równą prędkości światła, nazywany jest promieniem Schwarzschilda. Każdy obiekt mniejszy niż jego promień Schwarzschilda jest czarną dziurą. Innymi słowy, każdy obiekt, którego prędkość ucieczki jest większa niż prędkość światła, jest czarną dziurą. Aby zrobić taki obiekt ze Słońca, będzie musiał zostać skompresowany do promienia około trzech kilometrów.
Czarna dziura składa się z dwóch głównych części: osobliwości i horyzontu zdarzeń. Rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury jest uważany za jej rozmiar, ponieważ można go obliczyć i zmierzyć.
Horyzont jest również uważany za „punkt bez powrotu” w pobliżu czarnej dziury. To nie jest fizyczna powierzchnia, ale kula otaczająca osobliwość, która wyznacza granicę, z której prędkość ucieczki jest równa prędkości światła. Promień tego obszaru to sam promień Schwarzschilda.
Gdy tylko materia znajdzie się poza horyzontem zdarzeń, zaczyna opadać w kierunku środka czarnej dziury. Przy tak silnej grawitacji materia jest ściskana w punkcie - niewiarygodnie małej objętości o szalonej gęstości. Ten punkt jest osobliwością. Jest znikoma i według nowoczesnych modeli teoretycznych ma nieskończoną gęstość. Jest całkiem możliwe, że w osobliwości naruszane są prawa fizyki, które znamy. Naukowcy aktywnie badają ten problem, aby zrozumieć, co dzieje się w osobliwościach, a także opracować kompletną teorię opisującą, co dzieje się w centrum czarnej dziury.
Zróbmy kilka obliczeń
Zobaczmy, czego możemy się dowiedzieć o jednej milimetrowej czarnej dziurze. Według obliczeń taka czarna dziura o promieniu Schwarzschilda będzie miała masę 7 x 10 ^ 23 kilogramów - więcej niż pięć mas Księżyca (zgodnie ze wzorem R = 2MG / c ^ 2, gdzie R to promień Schwarzschilda, M to masa obiektu, G to grawitacja stała, a c to prędkość światła).
Stosunek Ziemi do Słońca wynosi trzy części do jednego miliona. Tak więc, gdyby Ziemia stała się czarną dziurą, jej promień wyniósłby tylko dziewięć milimetrów. Dlatego czarna dziura o wielkości jednego milimetra miałaby masę 11% masy Ziemi. Zdecydowanie mielibyśmy problemy z 11% dodatkową masą na planecie.
Wystarczy nawet, aby całkowita grawitacja Ziemi wyraźnie wzrosła. Ta dodatkowa grawitacja wystarczyłaby do zmiany orbity Księżyca, aby mógł po prostu wylecieć ze swojej obecnej orbity i zacząć poruszać się po orbicie eliptycznej.
Paraboloid Flamm, reprezentujący czasoprzestrzeń poza horyzontem wydarzeń w czarnej dziurze Schwarzschilda.
Gdzie jest ta wyimaginowana czarna dziura - na powierzchni, w środku Ziemi lub kręci się wokół niej? Załóżmy, że znajduje się na powierzchni planety. Obszar jego grawitacyjnego wpływu wynosiłby około jednej trzeciej promienia Ziemi - około 2124 kilometrów.
Cała materia w bezpośrednim sąsiedztwie tej mikroskopijnej czarnej dziury natychmiast odczuwałaby od niej silną grawitację, a dziura z kolei połknęłaby wszystko w drodze do środka Ziemi, do którego dotarłaby w około 42 minuty od momentu pojawienia się. Mógłby podróżować przez jądro Ziemi i dotrzeć na drugą stronę powierzchni Ziemi mniej więcej w tym samym czasie.
Gdyby czarna dziura pojawiła się na powierzchni z prędkością względną mniejszą niż 12 km / h, krążyłaby wokół Błękitnej Planety wraz z jej obszarem grawitacyjnym. Mówiąc najprościej, jest to zniszczenie skorupy ziemskiej i większości jej płaszcza. A jeśli jest jeszcze prostsze, oznacza śmierć wszelkiego życia na powierzchni Ziemi.
Tempo akrecji i limit Eddingtona
Większość masy Ziemi wokół czarnej dziury stanie się pożywieniem i zostanie przez nią nagromadzona. Jednak zanim tylko wpadnie do czarnej dziury, cały ten materiał będzie musiał stracić swój pęd kątowy - dlatego zacznie się wokół niego obracać, tworząc dysk akrecyjny.
Ten materiał wytwarza dużo ciepła, które ostatecznie zostanie wypromieniowane. Promieniowanie ma ciśnienie, które spowolni dalszą akrecję. Oba te efekty równoważą się nawzajem - nazywa się to granicą Eddingtona.
Akretująca się czarna dziura w oczach artysty
Granica Eddingtona nakłada również sztywną granicę na stopień akrecji czarnej dziury. Mały dysk akrecyjny miałby najprawdopodobniej temperaturę około sześciu tysięcy kelwinów - mniej więcej taką samą jak jądro Ziemi lub powierzchnia Słońca.
Między dyskiem akrecyjnym a masą Ziemi zachodziłyby pewne procesy tarcia, w wyniku których mikroskopijna czarna dziura osiadłaby w rdzeniu planety.
Śmierć w czarnej dziurze
Ogólnie rzecz biorąc, zajęłoby to pięć miliardów lat, zanim taka czarna dziura połknęłaby Ziemię. Zwiększyłoby to znacznie masę Ziemi. I oczywiście natychmiast spowodowałoby całkowity bałagan na planecie, który w ciągu zaledwie kilku godzin zamieniłby się w niezamieszkany kawałek kosmosu zapadającej się skorupy, lawy, gorących gazów i wszystkiego innego.
Życie stałoby się niemożliwe, a duża masa czarnej dziury mogłaby zniszczyć pas asteroid. To z kolei może prowadzić do częstych kolizji w Układzie Słonecznym przez następny milion lat. Księżyc nadal krążyłby wokół Nowej Ziemi (czarnej dziury), ale po bardzo wydłużonej eliptycznej orbicie.
Czarna dziura nie przesunęłaby się od razu do środka Ziemi, ale raczej przez chwilę krążyłaby wokół niej, ale w końcu do niej dotarła. Zrozumienie, w jaki sposób ta mikroskopijna czarna dziura będzie rosła, wymaga skomplikowanych obliczeń i symulacji.
Wszystko to można podsumować słowami światowej sławy astrofizyka i popularyzatora nauki Neila DeGrasse Tysona:
Vladimir Guillen