05.01.2019. - Самая известная черта черных дыр оказалась мифом

Самая известная черта черных дыр оказалась мифом

Черные дыры — самые странные и удивительные объекты во всей Вселенной. Обладая огромным количеством массы, сконцентрированной в чрезвычайно малом объеме, они неизбежно коллапсируют в сингулярность, окруженную горизонтом событий, за пределы которого не может выйти ничто. Это самые плотные объекты во Вселенной. Всякий раз, когда что-либо приближается к черной дыре, ее силы разрывают его на части; когда любая материя, антиматерия или излучение пересекают горизонт событий, она просто падает в центр, в сингулярность, а черная дыра растет и набирает массу. Но кто бы вам что ни говорил, черные дыры вообще ничего не засасывают.

Все выше обозначенные свойства черных дыр — истинные. Но мы привыкли жить с абсолютно фантастической идеей: черные дыры засасывают окружающую материю. Это совершенно не так и искажает принципы работы гравитации. Самый большой миф на тему черных дыр заключается в том, что они засасывают. Мы расскажем вам научную правду.

Как в принципе, так и на практике существует много разных способов образования черной дыры. Можно взять большую, массивную звезду и превратить ее в сверхновую, так чтобы центральное ядро провалилось в себя и сформировало черную дыру. Можно взять за основу слияние двух нейтронных звезд, когда они приводят к образованию черной дыры при пересечении определенного порога массы. Можно было бы собрать кучу вещества — сверхмассивную звезду или огромное облако сжиженного газа — и заставить его свернуться в черную дыру.

При наличии достаточной массы в достаточно концентрированном объеме пространства, вокруг нее сформируется горизонт событий. За его пределы можно сбежать, если двигаться прочь от черной дыры на скорости света. Но если вы окажетесь в за горизонтом событий, то даже движение со скорость света будет неизбежно прокладывать путь в центральную сингулярностью. Из горизонта событий черной дыры сбежать нет никакой возможности.

Однако для объектов за пределами черной дыры все не так просто. Поскольку черные дыры являются такими массивными объектами, когда вы приближаетесь к одной из них, вы начинаете испытывать значительные приливные силы. Возможно, вы знакомы с приливными силами Луны и как они влияют на Землю.

Если усреднить, можно рассматривать Луну как точечную массу и Землю как точечную массу, разделенные относительно большим расстоянием в 380 000 километров или около того. Но в реальности Земля это не точка, а объект, занимающий конкретный реальный объем. Одни части Земли будут ближе к Луне, чем другие. Более близкие части будут испытывать больше гравитационное притяжение в среднем; более удаленные будут испытывать меньшее притяжение в среднем.

Однако есть нечто большее, чем просто тот факт, что часть Земли находится ближе, а часть дальше от Луны. Как и все физические объекты, Земля является трехмерной, что означает, что «верхняя» и «нижняя» области Земли (с точки зрения Луны) будут притягиваться внутрь, к центру Земли, относительно частей, расположенных в середине.

В общем, если вычесть среднюю силу, которая ощущается в каждой точке на Земле, мы сможем увидеть, как разные точки на поверхности по-разному ощущают внешние силы от Луны. Эти силовые линии отображают относительные силы, которые испытывает объект, и объясняют, почему объекты, испытывающие приливы, растягиваются по направлению силы и сжимаются перпендикулярно этому направлению.

Чем ближе вы к массивному объекту, тем больше становятся эти приливные силы. Они нарастают даже быстрее, чем гравитационная сила. Поскольку черные дыры чрезвычайно массивны и компактны, они генерируют самые большие приливные силы во Вселенной. Вот почему, когда вы приближаетесь к черной дыре, вы «спагеттифицируетесь», или растягиваетесь в тонкую, лапшевидную форму.

Понятно теперь, почему вы ожидаете, что черная дыра засосет вас: чем ближе вы, тем сильнее становится сила притяжения и тем сильнее становятся приливные силы, разрывающие вас на части.

Черная дыра — не засасывает

Тем не менее, идея того, что вас засосет в черную дыру, остается неверной. Это заблуждение. Каждая отдельная частица, составляющая объект, на который воздействует черная дыра, все еще подчиняется тем же законам физики, включая гравитационную кривизну пространства-времени, порожденную общей теорией относительности.

Хотя справедливо, что ткань пространства искривлена наличием массы, и что черные дыры обеспечивают наибольшую концентрацию массы во всей Вселенной, также верно и то, что плотность этой массы не играет роли в том, как искривляется пространство. Если заменить Солнце белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой с такой же массой, гравитационная сила, воздействующая на Землю, не изменилась бы. Именно общая масса искривляет пространство вокруг; плотность практически не имеет к этому никакого отношения.

Издали черная дыра напомнит любую другую массу во Вселенной. Только при приближении — в пределах нескольких радиусов Шварцшильда — вы начнете замечать отклонения от ньютоновской гравитации. Тем не менее, черная дыра действует просто как аттрактор, и объекты, приближающиеся к ней, будут обладать такими же орбитами, что и всегда: круговыми, эллиптическими, параболическими или гиперболическими, с достаточно большим приближением.

Из-за приливных сил приближающиеся объекты могут разрываться на части, а поскольку вещество собирается вокруг черной дыры в форме диска аккреции, могут быть и другие эффекты: магнитные поля, трение и нагревание. Часть вещества, учитывая эти дополнительные взаимодействия, может замедляться и в конечном итоге поглощаться черной дырой, но подавляющее большинство ее все равно будет убегать.

Самое главное в том, что черные дыры ничего не засасывают; нет никакой силы, которую черная дыра оказывала бы на обычный объект (вроде луны, планеты или звезды). Работает исключительно гравитация. Самое главное отличие в том, что черные дыры плотнее большинства других тел, при этом занимают меньший объем пространства и могут быть гораздо более массивными, чем любой другой объект по отдельности. Сатурн может быть замечательно кружит на орбите вокруг Солнца, но если поместить вместо светила черную дыру из центра Млечного Пути — которая в 4 000 000 раз массивнее нашей звезды — приливные силы будут достаточно мощными, чтобы вытянуть Сатурн в огромное кольце, так что он станет частью диска аккреции черной дыры. При достаточном трении, нагреве и ускорении в присутствии гравитационных, электрических и магнитных полей, которые создает материя, все рано или поздно будет проглочено и упадет в черную дыру.

Черные дыры, по всей видимости, засасывают материю внутрь лишь благодаря своей массе, а сочетание приливных сил и вещества, уже присутствующего возле черной дыры, разрывает объекты на мелкие частицы, которые увлекаются диском аккреции и в конечном итоге самой черной дырой. Однако подавляющее большинство вещества, которое пройдет рядом с черной дырой, будет выплюнуто обратно в той или иной форме. Лишь малая часть, попадающая в горизонт событий, приведет к росту черной дыры.

Если заменить всю массу Вселенной эквивалентной черной дырой и убрать весь трущийся материал в виде дисков аккреции, очень мало чего вообще будет засосано. Единственное трение, которое испытает частица, будет связано с гравитационным излучением, испускаемым в процессе движения частицы сквозь искривленное черной дырой пространство. Только материал, который сформировал внутреннюю часть, в три раза превышающую радиус горизонта событий, будет засосан внутрь вследствие поведения самой теории Эйнштейна. Но это пшик по сравнению с тем, что попадает в горизонт событий в нашей физической реальности.

Идея о том, что черные дыры вообще что-то засасывают, похоже, стала отличительной чертой этих загадочных объектов. Но это миф. Черные дыры растут только из-за гравитации, ничего более. В нашей Вселенной этого более чем достаточно.

Источник