Melnie caurumi mums šķiet kaut kas tāls, par kuriem viņi dažreiz veido filmas vai raksta grāmatās. Mēs reti domājam par to, kas notiktu, ja uz mūsu planētas virsmas parādītos miniatūrs melns caurums ar diametru viens milimetrs. Par to - mūsu materiālā.
Pastāv populārs nepareizs priekšstats, kas saistīts ar melnajiem caurumiem: tie ir sava veida kosmosa putekļsūcēji, kas patērē visu, kas atrodas viņu apkārtnē. Protams, viņi "baro", bet viņu kuņģi ir mazi. Problēma neparādās, kad viņi "ēd", bet gan tad, kad viņi "vemj" pēc pārāk daudz vakariņām. Tas ir tiešām biedējoši.
Tas faktiski ir nedaudz sarežģītāk. Balstoties uz to, ka melnā cauruma rādiuss ir proporcionāls tā masai, var veikt dažus aprēķinus. Vispirms pievērsīsimies dažiem pamatiem.
Kas ir melnais caurums
Melnais caurums ir kosmosa reģions, kurā gravitācija ir tik spēcīga, ka pat gaisma to nevar atstāt. Tur esošais gravitācijas spēks liek visam telpas laika audumam saliekties un pieķerties sev. Tas viss notiek matērijas saspiešanas dēļ - visbiežāk tās ir masīvas zvaigznes paliekas - ārkārtīgi mazā reģionā.
Melnā cauruma struktūra: singularitāte, notikumu horizonts un ŠvarcŠilda rādiuss (reģions no singularitātes līdz notikuma horizontam).
Faktiski mēs nevaram redzēt melnos caurumus tāpēc, ka gaisma no tiem nevar izkļūt. Izrādās, ka, lai izietu no melnā cauruma, jebkuram objektam jāattīsta ātrums, kas lielāks par gaismas ātrumu, kurš, savukārt, pārvietojas ar ātrumu 299 792 458 metri sekundē. Salīdzinājumam - bēgšanas ātrums Zemes gravitācijas pārvarēšanai ir tikai 11,2 kilometri sekundē. Tomēr, ja mēs palaistu raķeti no planētas, kas sver tikpat daudz kā Zeme, bet ir puse no diametra, tad bēgšanas ātrums būtu 15,8 kilometri sekundē. Pat ja objektam būtu tāda pati masa, izbēgšanas ātrums būtu lielāks, ņemot vērā tā mazāku izmēru un tādējādi lielāku blīvumu.
Reklāmas video:
Ko darīt, ja mēs saraujam objektu vēl vairāk? Ja saspiežam Zemes masu sfērā ar deviņu milimetru rādiusu, izbēgšanas ātrums sasniedz gaismas ātrumu. Ja šī masa tiek iespiesta vēl mazākā sfērā, tad izbēgšanas ātrums pārsniegs gaismas ātrumu. Bet, tā kā gaismas ātrums ir ātruma kosmiskā robeža, nekas nevar atstāt šo sfēru.
Rādiusu, pie kura masai ir aizbēgšanas ātrums, kas vienāds ar gaismas ātrumu, sauc par ŠvarcŠilda rādiusu. Jebkurš priekšmets, kas ir mazāks par tā Schwarzschild rādiusu, ir melnais caurums. Citiem vārdiem sakot, jebkurš objekts, kura evakuācijas ātrums ir lielāks par gaismas ātrumu, ir melnais caurums. Lai izgatavotu šādu objektu no Saules, tas būs jāsaspiež aptuveni trīs kilometru rādiusā.
Melnajam caurumam ir divas galvenās daļas: singularitāte un notikumu horizonts. Melnā cauruma notikuma horizonta lielumu uzskata par tā lielumu, jo to var aprēķināt un izmērīt.
Apvārsnis tiek uzskatīts arī par "atgriešanās punktu" melnā cauruma tuvumā. Šī nav fiziska virsma, bet gan sfēra, kas apņem singularitāti, kas apzīmē robežu, no kuras bēgšanas ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu. Šīs zonas rādiuss ir pats ŠvarcŠilda rādiuss.
Tiklīdz matērija atrodas ārpus notikumu horizonta, tā sāk kristies melnā cauruma centra virzienā. Ar tik spēcīgu smagumu matērija tiek saspiesta punktā - neticami mazs traka blīvuma tilpums. Šis punkts ir raksturīgums. Tas ir niecīgs, un saskaņā ar mūsdienu teorētiskajiem modeļiem tam ir bezgalīgs blīvums. Pilnīgi iespējams, ka fizikas likumi, par kuriem mēs zinām, tiek pārkāpti, ievērojot to savdabību. Zinātnieki aktīvi pēta šo jautājumu, lai izprastu, kas notiek īpatnībās, kā arī izstrādātu pilnīgu teoriju, kas apraksta to, kas notiek melnā cauruma centrā.
Veiksim dažus aprēķinus
Redzēsim, ko mēs varam uzzināt par melna cauruma milimetru. Pēc aprēķiniem, šāda melnā cauruma ar ŠvarcŠilda rādiusu masa būs 7 x 10 ^ 23 kilogrami - vairāk nekā piecas Mēness masas (pēc formulas R = 2MG / c ^ 2, kur R ir ŠvarcŠilda rādiuss, M ir objekta masa, G ir gravitācijas konstanta, un c ir gaismas ātrums).
Zemes un Saules attiecība ir trīs daļas līdz vienam miljonam. Tādējādi, ja Zeme kļūtu par melno caurumu, tās rādiuss būtu tikai deviņi milimetri. Tāpēc viena milimetra melnajam caurumam būtu 11% no Zemes masas. Mums noteikti būtu problēmas ar 11% papildu masu uz planētas.
Pietiek pat ar to, ka manāmi palielināsies Zemes kopējais smagums. Šis papildu smagums būtu pietiekams, lai mainītu Mēness orbītu, tāpēc tas varētu vienkārši izlidot no pašreizējās orbītas un sākt virzīties elipsveida orbītā.
Flamma paraboloīds, kas attēlo kosmosa laiku ārpus ŠvarcŠildas melnā cauruma notikumu izaugsmes horizonta.
Kur ir šis iedomātais melnais caurums - uz virsmas, Zemes centrā vai griežas ap to? Pieņemsim, ka tas atrodas uz planētas virsmas. Tās gravitācijas ietekmes laukums būtu aptuveni trešdaļa no Zemes rādiusa - apmēram 2124 kilometri.
Visas matērijas, kas atrodas šī mikroskopiskā melnā cauruma tiešā tuvumā, uzreiz no tās izjustu spēcīgu gravitāciju, un caurums, savukārt, absorbētu visu, kas atrodas ceļā uz Zemes centru, ko tas sasniegtu apmēram 42 minūtēs no tā parādīšanās brīža. Tas varētu pārvietoties pa Zemes kodolu un apmēram tajā pašā laikā sasniegt otru Zemes virsmas pusi.
Ja uz virsmas parādītos melns caurums ar relatīvo ātrumu mazāku par 12 km / h, tas grieztos ap Zilo planētu un tās gravitācijas laukumu. Vienkārši sakot, tā ir zemes garozas un lielākās daļas mantijas iznīcināšana. Un, ja tas ir vēl vienkāršāk, tas nozīmē visas dzīvības nāvi uz Zemes virsmas.
Akrācijas pakāpe un Eddington robeža
Lielākā daļa Zemes masas, kas atrodas ap melno caurumu, kļūs par pārtiku, un tā to uzņems. Pirms iekrist tikai melnajā caurumā, visam šim materiālam būs jāzaudē leņķiskais impulss - tieši tāpēc tas sāks griezties ap to, veidojot akrācijas disku.
Šis materiāls rada daudz siltuma, kas galu galā tiks izstarots. Apstarojumam ir spiediens, kas palēninās tālāku akreciju. Abi šie efekti līdzsvaro viens otru - to sauc par Eddington robežu.
Izveidojas melnais caurums mākslinieka skatījumā
Eddington robeža arī uzliek stingru robežu melnā cauruma akrēcijas pakāpei. Neliela uzpūšanās diska temperatūra, visticamāk, būtu aptuveni seši tūkstoši kelvinu - apmēram tāda pati kā Zemes kodolā vai Saules virsmā.
Starp akrācijas disku un Zemes masu varētu notikt daži berzes procesi, kā rezultātā mikroskopisks melnais caurums apmestos planētas kodolā.
Nāve melnajā caurumā
Kopumā būtu vajadzīgs pieci miljardi gadu, lai šāds melnais caurums Zemes norītu. Tas ievērojami palielinātu Zemes masu. Un, protams, tas nekavējoties radītu pilnīgu nekārtību uz planētas, kas tikai dažu stundu laikā pārvērstos par neapdzīvotu kosmosa gabalu, kurā sabrūk garoza, lava, karstas gāzes un viss pārējais.
Dzīve kļūtu neiespējama, un lielā melnā cauruma masa varētu iznīcināt asteroīda jostu. Tas, savukārt, nākamajos miljonos gados varētu izraisīt biežas Saules sistēmas sadursmes. Mēness turpinātu griezties ap jauno zemi (melnais caurums), bet ļoti iegarenā eliptiskajā orbītā.
Melnais caurums nekavējoties nepārvietosies uz Zemes centru, drīzāk tas kādu laiku griezīsies ap to, bet beigās tomēr nokļūs pie tā. Lai saprastu, kā masā aug šis mikroskopiskais melnais caurums, nepieciešami sarežģīti aprēķini un simulācijas.
To visu var rezumēt pasaules slavenā astrofiziķa un zinātnes popularizētāja Neila DeGrasse Tisona vārdos:
Vladimirs Guilēns