Zdá se nám, že černé díry jsou něco vzdáleného, o čem někdy natáčejí nebo zapisují do knih. Jen zřídka přemýšlíme o tom, co by se stalo, kdyby se na povrchu naší planety objevila miniaturní černá díra o průměru jednoho milimetru. O tom - v našem materiálu.
S černými dírami je spojena lidská mylná představa: jsou to jakési vysavače prostoru, které spotřebovávají všechno v jejich okolí. Samozřejmě se „živí“, ale jejich žaludky jsou malé. Problém se neobjeví, když „jedí“, ale když „zvrací“po přílišné večeři. To je opravdu děsivé.
Je to vlastně trochu složitější. Na základě skutečnosti, že poloměr černé díry je úměrný její hmotnosti, lze provést některé výpočty. Nejprve si vysvětlíme některé základy.
Co je černá díra
Černá díra je oblast prostoru, ve které je gravitace tak silná, že ji nemůže opustit ani světlo. Gravitační síla způsobuje, že se samotná struktura časoprostoru ohne a sama se zamkne. To vše se děje kvůli stlačování hmoty - nejčastěji se jedná o zbytky obrovské hvězdy - v extrémně malém regionu.
Struktura černé díry: singularita, horizont událostí a Schwarzschildův poloměr (oblast od singularity do horizontu událostí).
Ve skutečnosti nevidíme černé díry kvůli tomu, že se z nich nemůže dostat světlo. Ukazuje se, že k opuštění černé díry musí jakýkoli objekt vyvinout rychlost vyšší než rychlost světla, která se zase pohybuje rychlostí 299 792 458 metrů za sekundu. Pro srovnání, úniková rychlost k překonání gravitace Země je pouze 11,2 km za sekundu. Pokud bychom ale měli vypustit raketu z planety, která váží stejně jako Země, ale poloviční průměr, pak by úniková rychlost byla 15,8 km za sekundu. I kdyby měl objekt stejnou hmotnost, úniková rychlost by byla vyšší kvůli jeho menší velikosti, a tedy vyšší hustotě.
Propagační video:
Co když objekt zmenšíme ještě více? Pokud komprimujeme zemskou hmotu do koule s poloměrem devíti milimetrů, úniková rychlost dosáhne rychlosti světla. Pokud je tato hmota vytlačena do ještě menší koule, pak úniková rychlost překročí rychlost světla. Ale protože rychlost světla je kosmickým limitem rychlosti, nic nemůže opustit tuto sféru.
Poloměr, ve kterém má hmota únikovou rychlost rovnající se rychlosti světla, se nazývá Schwarzschildův poloměr. Jakýkoli objekt menší než jeho Schwarzschildův poloměr je černá díra. Jinými slovy, jakýkoli objekt s únikovou rychlostí vyšší než je rychlost světla je černá díra. Aby byl takový objekt ze Slunce, bude muset být komprimován na poloměr asi tří kilometrů.
Černá díra má dvě hlavní části: jedinečnost a horizont událostí. Velikost horizontu události černé díry se považuje za její velikost, protože ji lze vypočítat a změřit.
Horizont je také považován za „bod bez návratu“v blízkosti černé díry. Nejedná se o fyzický povrch, ale o kouli obklopující singularitu, která označuje hranici, jejíž rychlost úniku se rovná rychlosti světla. Poloměr této oblasti je velmi Schwarzschildův poloměr.
Jakmile je hmota za horizontem události, začne klesat směrem ke středu černé díry. Při tak silné gravitaci je hmota stlačena do bodu - neuvěřitelně malého objemu šílené hustoty. Tento bod je jedinečnost. Je zanedbatelný a podle moderních teoretických modelů má nekonečnou hustotu. Je docela možné, že fyzikální zákony, které známe, jsou porušeny v singularitě. Vědci aktivně zkoumají tento problém, aby pochopili, co se děje v singularitách, a také aby vyvinuli úplnou teorii popisující, co se děje ve středu černé díry.
Udělejme několik výpočtů
Uvidíme, co se můžeme dozvědět o jedné milimetrové černé díře. Podle výpočtů bude mít taková černá díra s Schwarzschildovým poloměrem hmotnost 7 x 10 ^ 23 kilogramů - více než pět hmot Měsíce (podle vzorce R = 2MG / c ^ 2, kde R je poloměr Schwarzschild, M je hmotnost objektu, G je gravitační konstanta ac je rychlost světla).
Poměr Země ke Slunci je tři části na jeden milion. Pokud by se tedy Země stala černou dírou, její poloměr by byl pouze devět milimetrů. Proto by černá díra o jednom milimetru měla hmotnost 11% hmotnosti Země. Určitě bychom měli problémy s 11% hmotností navíc na planetě.
Stačí dokonce, že by se celková gravitace Země znatelně zvýšila. Tato zvláštní gravitace by stačila ke změně orbity Měsíce, takže by mohla jednoduše odletět ze své současné oběžné dráhy a začít se pohybovat v eliptické oběžné dráze.
Paraboloid Flamm představující časoprostor za růstovým horizontem událostí Schwarzschildovy černé díry.
Kde je tato imaginární černá díra - na povrchu, ve středu Země nebo kolem ní? Předpokládejme, že je na povrchu planety. Oblast jeho gravitačního vlivu by byla asi třetina poloměru Země - asi 2124 kilometrů.
Veškerá hmota v bezprostřední blízkosti této mikroskopické černé díry by z ní okamžitě pocítila silnou gravitaci a díra by zase absorbovala všechno na cestě do středu Země, čehož by dosáhla asi 42 minut od okamžiku, kdy se objeví. Projelo by to jádrem Země a zhruba na stejnou dobu by se dostalo na druhou stranu zemského povrchu.
Pokud by se na povrchu objevila černá díra s relativní rychlostí menší než 12 km / h, otáčela by se kolem Modré planety spolu s gravitační oblastí. Jednoduše řečeno, jedná se o zničení zemské kůry a většiny jejího pláště. A pokud je to ještě jednodušší, znamená to smrt celého života na povrchu Země.
Akreční rychlost a Eddingtonův limit
Většina hmoty Země kolem černé díry se stane jídlem a bude jím zvýšena. Předtím, než padne do černé díry, však veškerý tento materiál bude muset ztratit svou úhlovou hybnost - proto začne kolem něj obíhat a vytvářet akreční disk.
Tento materiál produkuje velké množství tepla, které bude nakonec vyzařováno. Záření má tlak, který zpomalí další hromadění. Oba tyto efekty se vzájemně vyrovnávají - to se nazývá Eddingtonův limit.
Zvýšení černé díry v pohledu umělce
Eddingtonův limit také klade tvrdý limit na stupeň narůstání černé díry. Malý akreční disk by s největší pravděpodobností měl teplotu asi šest tisíc Kelvinů - přibližně stejné jako jádro Země nebo povrch Slunce.
Mezi akrečním diskem a hmotou Země by vznikly třecí procesy, v důsledku kterých by se v jádru planety usadila mikroskopická černá díra.
Smrt v černé díře
Obecně by to trvalo pět miliard let, než by taková černá díra spolkla Zemi. Výrazně by se tím zvýšila hmotnost Země. A samozřejmě by to okamžitě vytvořilo úplnou poruchu na planetě, která se během několika hodin promění v neobývaný vesmírný kus kolabující kůry, lávy, horkých plynů a všeho jiného.
Život by se stal nemožným a vysoká hmotnost černé díry by mohla zničit pás asteroidů. To by pak mohlo vést k častým kolizím v sluneční soustavě v příštích milionech let. Měsíc by se i nadále otáčel kolem Nové Země (černá díra), ale na velmi protáhlé eliptické dráze.
Černá díra by se okamžitě neposunula do středu Země, ale spíše by se kolem ní točila na chvíli, ale nakonec by se k ní dostala. Abychom pochopili, jak by tato mikroskopická černá díra narůstala, vyžaduje složité výpočty a simulace.
To vše lze shrnout slovy světově proslulého astrofyzika a popularizátora vědy Neila DeGrasse Tysona:
Vladimir Guillen