Czarne dziury to obszary kosmosu, w których w małej objętości jest tak dużo masy, że istnieje horyzont zdarzeń - obszar przestrzeni, z którego nic, nawet światło, nie może uciec. Nie oznacza to jednak, że czarne dziury zasysają materię. Po prostu ją przyciągają. Redaktor naukowy Forbes obala jeden z mitów na temat czarnych dziur.
Czarne dziury to obszary kosmosu, w których w małej objętości jest tak dużo masy, że istnieje horyzont zdarzeń - obszar przestrzeni, z którego nic, nawet światło, nie może uciec. Ale to nie znaczy, że czarne dziury zasysają materię. Po prostu ją przyciągają.
Czarne dziury są prawdopodobnie najdziwniejszymi i najbardziej niesamowitymi obiektami we wszechświecie. Tam ogromna masa jest skoncentrowana w bardzo małej objętości, a czarne dziury nieuchronnie zapadają się do stanu osobliwości, otoczone horyzontami zdarzeń, poza które nic nie może wyjść. To najgęstsze obiekty we wszechświecie. Kiedy coś zbliża się do nich zbyt blisko, siły czarnej dziury rozrywają to na strzępy. Kiedy materia, antymateria lub promieniowanie przekraczają horyzont zdarzeń, po prostu wpadają w środek czarnej dziury, powiększając ją i dodając do jej masy.
Te właściwości czarnych dziur istnieją i to wszystko prawda. Ale jest z tym związana jedna idea, która jest absolutną fikcją: czarne dziury zasysają otaczającą je materię. Jest to bardzo dalekie od prawdy i jest to całkowite zniekształcenie obrazu grawitacji. Największym mitem dotyczącym czarnych dziur jest to, że zasysają one materię. A oto prawda naukowa.
Zasadniczo i w praktyce czarna dziura może powstawać na różne sposoby. Duża, masywna gwiazda może stać się supernową, której centralny rdzeń zapada się i tworzy czarną dziurę. Możesz zobaczyć, jak dwie gwiazdy neutronowe łączą się, a jeśli przekroczą pewien próg masy, wynikiem jest nowa czarna dziura. Albo ogromna gromada materii (supermasywna gwiazda lub gigantyczna chmura kurczącego się gazu) zapada się i bezpośrednio zamienia w czarną dziurę.
Jeśli w wystarczająco skoncentrowanej objętości przestrzeni jest wystarczająco dużo masy, wokół niej tworzy się horyzont zdarzeń. Poza horyzontem zdarzeń możemy się od niego oddalić, oddalając się od czarnej dziury z prędkością światła. Ale jeśli znajdujemy się w horyzoncie zdarzeń, to nawet przy prędkości światła, która jest granicą prędkości kosmicznej, każda trajektoria ruchu nadal doprowadzi nas do centrum czarnej dziury, czyli do osobliwości. Po prostu niemożliwe jest uciec z czarnej dziury w horyzoncie zdarzeń.
Ale obiekty poza czarną dziurą również mają wiele problemów. Czarne dziury są tak masywne, że zbliżając się do jednej z nich, zaczynamy odczuwać znaczne siły pływowe. Możesz być zaznajomiony z tymi siłami pływowymi, jeśli wiesz, czym jest księżyc i jak oddziałuje na ziemię.
Oczywiście Księżyc i Ziemię można uznać za punkty materialne, oddalone od siebie w stosunkowo dużej odległości 380 tysięcy kilometrów. Ale w rzeczywistości Ziemia nie jest punktem, ale obiektem, który zajmuje pewną i całkiem realną objętość. Niektóre obszary Ziemi są bliżej Księżyca niż inne. Ci, którzy są bliżej, doświadczają siły grawitacji bardziej niż przeciętnie. Ci bardziej oddaleni doświadczają mniej niż przeciętnej grawitacji.
Film promocyjny:
Ale oprócz różnicy odległości są też inne cechy. Podobnie jak wszystkie obiekty fizyczne, Ziemia jest trójwymiarowa. Oznacza to, że „góra” i „dół” Ziemi (patrząc z Księżyca) są przyciągane do wewnątrz, w kierunku jej środka w stosunku do części znajdujących się w środku.
Biorąc to wszystko pod uwagę, jeśli odejmiemy średnią siłę istniejącą w dowolnym miejscu na Ziemi, zobaczymy, że różne punkty na powierzchni są wystawione na działanie sił zewnętrznych Księżyca na różne sposoby. Linie tych sił tworzą względne siły działające na obiekt i wyjaśniają, dlaczego obiekt pod wpływem siły pływowej jest przyciągany do niego i ściskany prostopadle do kierunku tej siły.
Im bardziej zbliżamy się do masywnego obiektu, tym większe stają się siły pływowe. Rosną nawet szybciej niż grawitacja! Ponieważ czarne dziury mają olbrzymią masę, ale są bardzo zwarte, tworzą najpotężniejsze siły pływowe we wszechświecie. Z tego powodu, zbliżając się do czarnej dziury, rozciągamy się coraz bardziej, stając się jak cienkie spaghetti.
Na tej podstawie bardzo łatwo jest zrozumieć, dlaczego czarna dziura może nas wciągnąć. Im bardziej się do niego zbliżamy, tym silniejsza staje się siła przyciągania i tym bardziej siła pływowa zaczyna nas rozciągać i rozrywać.
Jednak pogląd, że możemy zostać wessani do czarnej dziury, jest błędny. Każda cząstka, która tworzy obiekt znajdujący się pod wpływem czarnej dziury, nadal podlega dobrze znanym prawom fizyki, w tym zasadzie krzywizny czasoprzestrzeni z ogólnej teorii względności.
Tak, z powodu obecności masy struktura przestrzeni wygina się, a czarna dziura jest największym nagromadzeniem masy we wszechświecie. Ale prawdą jest również, że gęstość tej masy w żaden sposób nie wpływa na krzywiznę przestrzeni. Jeśli białego karła, gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury o tej samej masie zastąpi Słońce, siła grawitacji na Ziemi nie ulegnie zmianie. Przestrzeń wokół nas jest zakrzywiona przez masę całkowitą jako całość, a gęstość nie ma z nią praktycznie nic wspólnego.
Z pewnej odległości czarna dziura przypomina każdą inną masę we wszechświecie. Ale jeśli zbliżymy się do niej w minimalnej odległości kilku promieni kuli Schwarzschilda, wówczas zaczniemy zauważać odchylenia od grawitacji Newtona. Jednak czarna dziura nadal działa po prostu jako środek ciężkości, a zbliżające się do niej obiekty krążą po normalnej orbicie: okrąg, elipsa, parabola lub hiperbola z bardzo dobrym przybliżeniem.
Siły pływowe mogą powodować rozciąganie i rozpadanie się zbliżających się obiektów. A ponieważ materia gromadzi się wokół czarnej dziury w postaci dysku akrecyjnego, mogą pojawić się dodatkowe konsekwencje, takie jak pola magnetyczne, tarcie i ogrzewanie. Z powodu tego dodatkowego uderzenia część materii zwolni i zostanie pochłonięta przez czarną dziurę, ale większość pozostanie na zewnątrz.
Faktem jest, że czarne dziury niczego nie zasysają. Wszystkie inne zwykłe obiekty (księżyce, planety, gwiazdy) mają te same siły co czarna dziura. W każdym razie to tylko grawitacja. Największą różnicą jest to, że czarne dziury są gęstsze niż większość obiektów, zajmują znacznie mniejszą objętość w przestrzeni kosmicznej i mogą być znacznie masywniejsze niż jakikolwiek inny obiekt. Saturn leci cicho na swojej orbicie wokół Słońca, ale jeśli zamiast Słońca w centrum Drogi Mlecznej umieścimy czarną dziurę, której masa jest cztery miliony mas naszej gwiazdy, wówczas siły pływowe rozbiją Saturna, zamieniając go w gigantyczny pierścień i stanie się integralną częścią dysku akrecyjnego ta sama czarna dziura. A jeśli jest wystarczające tarcie, nagrzewanie i przyspieszenie w obecności grawitacji generowanej przez materię,pola elektryczne i magnetyczne, a następnie z czasem opadnie do wewnątrz i zostanie połknięty.
Wydaje się tylko, że czarne dziury absorbują materię, ponieważ są bardzo masywne, a siły pływowe i materia nagromadzona wokół czarnej dziury razem mogą rozerwać zewnętrzne obiekty na kawałki, po czym część takiego obiektu pod wpływem siły ciągnącej znajdzie się wewnątrz dysku akrecyjnego, i z biegiem czasu i wewnątrz samej czarnej dziury. Ale czarna dziura jest bardzo wybredna, a ogromna większość materii, która przechodzi blisko niej, jest wypluwana z powrotem w takiej czy innej formie. I tylko niewielka część wpada w horyzont zdarzeń, zmuszając czarną dziurę do stopniowego wzrostu.
Jeśli zastąpimy całą masę we Wszechświecie czarną dziurą o odpowiedniej masie, a następnie usuniemy wszystko, co powoduje tarcie, powiedzmy, dyski akrecyjne, wtedy czarna dziura będzie zassać bardzo mało. Cząstki będą ulegać tarciu tylko z powodu promieniowania fal grawitacyjnych, przechodzących przez zakrzywioną czasoprzestrzeń generowaną przez czarną dziurę. Zgodnie z teorią Einsteina, tylko ta materia, która znajduje się wewnątrz i w samym środku stabilnej cyklicznej orbity, zostanie wchłonięta do środka. Jest to nieistotne w porównaniu z tym, co mieści się w horyzoncie zdarzeń w naszej fizycznej rzeczywistości.
W rezultacie mamy tylko siłę grawitacji i zakrzywioną czasoprzestrzeń wynikającą z obecności tych mas. Idea zasysania czegoś przez czarne dziury jest największym mitem. Zwiększają się dzięki grawitacji i niczym więcej. Ale we Wszechświecie to więcej niż wystarczające.
Ethan Siegel