Идею о существовании в космосе настолько массивного тела, что даже свет не может его покинуть, вкратце изложил английский астроном и священник Джон Мичелл в письме, опубликованном в ноябре 1784 года. Упрощённые расчёты Мичелла предполагали, что у такого тела может быть плотность, сравнимая с солнечной, после чего он сделал вывод, что оно образуется, когда диаметр звезды превышает диаметр Солнца в 500 раз, а скорость убегания с её поверхности превышает скорость света в вакууме. Мичелл назвал эти тела тёмными звёздами. Он правильно отметил, что такие сверхмассивные, но не излучающие тела можно будет обнаружить по их гравитационному воздействию на близлежащие видимые тела. Первоначально учёные того времени были воодушевлены предложением о том, что гигантские, но невидимые «тёмные звёзды» могут скрываться на виду, но энтузиазм поутих, когда в начале XIX века стала очевидной волновая природа света, поскольку если бы свет был волной, а не частицей, то было бы непонятно, как гравитация влияет на убегающие световые волны.
В 1915 г. Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, ещё до этого продемонстрировав, что гравитация действительно влияет на движение света. А уже всего через несколько месяцев Карл Шварцшильд нашёл решение уравнений поля Эйнштейна, описывающее гравитационное поле точечной массы и сферической массы. Через несколько месяцев после Шварцшильда Иоганн Дросте, ученик Хендрика Лоренца, независимо дал такое же решение для точечной массы и более подробно описал его свойства. Это решение демонстрировало особенное поведение в области, которую сейчас называют радиусом Шварцшильда, где оно уходило в сингулярность — то есть некоторые члены в уравнениях Эйнштейна становились бесконечными. Природа этой поверхности в то время была не совсем понятна.
В 1924 г. Артур Эддингтон показал, что сингулярность исчезает после изменения системы координат, хотя только в 1933 г. Жорж Леметр понял, что это означает, что сингулярность на радиусе Шварцшильда является нефизической координатной сингулярностью. Однако Артур Эддингтон в своей книге 1926 года высказался о возможности существования звезды с массой, сжатой до радиуса Шварцшильда, отметив, что теория Эйнштейна позволяет исключить слишком большую плотность видимых звёзд, таких как Бетельгейзе. Он писал: «звезда радиусом 250 млн км не может иметь такую высокую плотность, как Солнце. Во-первых, сила тяготения была бы настолько велика, что свет не смог от неё уйти, и лучи падали обратно на звезду, как камень на землю. Во-вторых, красное смещение спектральных линий было бы настолько велико, что спектр оказался бы вытесненным. В-третьих, масса привела бы к такому искривлению метрики пространства-времени, что пространство замкнулось бы вокруг звезды, оставив нас снаружи (т.е. нигде)».
Это приводит нас к одной из наиболее поразительных концепций Вселенной: гравитация не обусловлена существованием некоей невидимой силы, как считал Ньютон, а возникает благодаря тому, что материя и энергия во Вселенной искажают саму ткань пространства. Материя и энергия говорят пространству, как изогнуться, и это изогнутое пространство образует путь, по которому движутся и материя, и энергия. Расстояние между двумя точками — это не прямая линия, а кривая, определяемая самой тканью пространства.
Куда же отправиться в поисках области пространства, обладающей наибольшей кривизной? Очевидно, стоит выбрать те места, где наибольшая масса сосредоточена в наименьшем объёме: чёрные дыры. Но не все чёрные дыры одинаковы. На первый взгляд это кажется парадоксальным, но именно самые маленькие чёрные дыры с наименьшей массой создают наиболее сильно искривлённое пространство из всех существующих.
Когда мы смотрим на Вселенную, особенно в больших космических масштабах, она ведёт себя так, как будто пространство практически неотличимо от плоского. Массы искривляют пространство, и это искривлённое пространство отклоняет свет, но величина отклонения ничтожно мала даже для самых концентрированных из известных нам масс.
Солнечное затмение 1919 года, когда свет от далёких звёзд отклонялся Солнцем, привело к тому, что путь света искривился менее чем на тысячную долю градуса. Это было первое наблюдательное подтверждение общей теории относительности, вызванное самой большой массой, доступной нам в нашей Солнечной системе.
Гравитационное линзирование выходит за эти рамки, когда очень большая масса (например, квазар или скопление галактик) искривляет пространство настолько сильно, что фоновый свет искажается, увеличивается и растягивается на несколько изображений. Однако даже триллионы солнечных масс вызывают эффекты в масштабах крошечных долей градуса.
Но ни близость к массе, ни общее количество массы по отдельности не определяют, насколько сильно искривлено пространство. Скорее роль играет общее количество массы, присутствующей в данном объёме пространства. Лучше всего это представить на примере нашего Солнца: объект массой в 1 Солнце и радиусом около 700 000 км. На самом краю Солнца, в 700 000 км от его центра, свет отклоняется примерно на 0,0005 градуса.
Если бы Солнце можно было сжать до размеров Земли (тогда оно стало бы походить на белого карлика) до радиуса около 6 400 км, то свет, падающий на лимб этого объекта, отклонился бы уже на величину примерно в 100 раз большую — на 0,05 градуса. Если сжать Солнце до радиуса ~35 км (и тогда оно приблизилось бы по свойствам к нейтронной звезде). Тогда свет, падающий на его лимб, отклонился бы намного сильнее: примерно на десяток градусов. А вот если сжать Солнце настолько, что оно превратится в чёрную дыру радиусом около 3 км, тогда свет, падающий на её лимб, будет полностью поглощён дырой; свет же, находящийся за её пределами, может отклониться на 180° или даже ещё сильнее.
Однако во всех этих сценариях есть нечто важное. Общее количество массы — будь то звезда, похожая на Солнце, белый карлик, нейтронная звезда или чёрная дыра, — одинаково в каждой задаче. Причина более сильного искривления пространства заключается в том, что масса более сконцентрирована, и вы можете приблизиться к ней гораздо ближе.
Если бы вы находились на одинаковом расстоянии от центра масс в каждом сценарии — 700 000 км от объекта массой в 1 Солнце, независимо от того, насколько он компактен, — вы бы увидели точно такое же отклонение: около 0,0005 градуса. Только потому, что мы можем подойти очень близко к самым компактным объектам, т.е. к чёрным дырам, свет отклоняется на такую большую величину, когда он касается их лимба. Это универсальное свойство всех чёрных дыр. Когда свет едва «задевает» внешнюю сторону горизонта событий, он находится на границе поглощения и максимально отклоняется в сторону окраины чёрной дыры.
Но не все чёрные дыры созданы одинаковыми. Конечно, есть некоторые параметры, по которым все чёрные дыры выглядят одинаково, и они важны. У каждой чёрной дыры есть горизонт событий, который определяется границей в пространстве, на которой скорость, с которой нужно двигаться, чтобы вырваться из-под её гравитационного притяжения, превышает скорость света. Извне горизонта свет всё ещё может добраться до мест во внешней Вселенной; внутри горизонта этот свет (или любая частица) поглощается чёрной дырой.
Но чем массивнее чёрная дыра, тем больше радиус её горизонта событий. Удвоение массы приводит к удвоению радиуса горизонта событий. Конечно, многие вещи будут масштабироваться таким же образом:
- скорость убегания у горизонта по-прежнему остаётся равной скорости света;
- величина отклонения света подчиняется той же зависимости массы от радиуса;
- если бы мы могли получить прямое изображение таких объектов, все они имели бы ту же самую форму пончика, которую мы видели на первом снимке телескопа «Горизонт событий» (EHT).
Но есть ряд свойств, которые не сопоставимы для чёрных дыр разных масс. Например, приливные силы — это тот случай, когда различия огромны. Если бы вы упали к горизонту событий чёрной дыры, то встретились бы с силами, которые пытались разорвать вас на части, растягивая в направлении центра чёрной дыры и одновременно сжимая в перпендикулярном направлении: это то, что называют спагеттизацией.
Если бы вы упали в чёрную дыру в центре галактики M87 (ту самую, которую запечатлел телескоп EHT), то разница между силой, действующей на вашу голову, и силой, действующей на пальцы ног, была бы ничтожной — менее 0,1% от силы земного притяжения. Но если бы вы упали в чёрную дыру с массой Солнца, сила была во много квинтиллионов раз больше: её было бы достаточно, чтобы разорвать ваши атомы на части.
Однако, пожалуй, самое поразительное различие между чёрными дырами разной массы обусловлено явлением, которое мы никогда не наблюдали: излучением Хокинга. Где бы ни находилась чёрная дыра, из неё исходит очень небольшое количество низкоэнергетического излучения.
Хотя мы придумали несколько очень красивых визуализаций причин этого явления — обычно мы говорим о спонтанном создании пар частица-античастица, где одна падает в чёрную дыру, а другая вылетает из неё, — на самом деле всё происходит не так. Верно, что из чёрной дыры уходит излучение, и верно также, что энергия этого излучения должна исходить из массы самой чёрной дыры. Но эта наивная картина, когда пары частица-античастица возникают, а один из членов исчезает в чёрной дыре, сильно упрощена.
На самом деле всё несколько сложнее, но гораздо интереснее. Там, где есть само пространство, есть и законы физики, существующие в нашей Вселенной, которые включают в себя все квантовые поля, лежащие в основе реальности. Все эти поля существуют в своём низкоэнергетическом состоянии, когда они пронизывают пустое пространство — это состояние известно как «квантовый вакуум».
Квантовый вакуум одинаков для всех, пока они находятся в пустом, не искривлённом пространстве. Но это состояние с наименьшей энергией отличается в местах, где пространственная кривизна различна, и именно здесь возникает излучение Хокинга: из физики квантовой теории поля в искривлённом пространстве. На достаточном расстоянии от чего-либо, даже от чёрной дыры, квантовый вакуум выглядит так же, как и в плоском пространстве. Но квантовый вакуум в искривлённом пространстве ведёт себя совершенно по-другому — причём отличается тем более, чем более искривлено пространство.
Это означает, что если мы хотим, чтобы от нашей чёрной дыры исходило самое яркое, самое светлое, самое энергичное излучение Хокинга, то мы должны обращаться к самым маломассивным чёрным дырам, которые мы можем найти: к тем, у которых пространственная кривизна на горизонте событий наиболее сильна. Если сравнить чёрную дыру, подобную той, что находится в центре M87, с воображаемой чёрной дырой, которую мы могли бы получить, если бы Солнце превратилось в чёрную дыру, то мы обнаружим, что:
- температура более массивной чёрной дыры в миллиарды раз ниже;
- светимость на ~20 порядков меньше;
- и испаряться она будет на ~30 порядков дольше.
Это означает, что именно чёрные дыры с наименьшей массой являются местами, где пространство наиболее сильно искривлено из всех мест во Вселенной, и во многих отношениях представляют собой наиболее чувствительную природную лабораторию для проверки пределов общей теории относительности Эйнштейна.
Может показаться нелогичным, что самые маломассивные чёрные дыры во Вселенной искривляют пространство сильнее, чем сверхмассивные гиганты, населяющие центры галактик, но это действительно так. Искривление пространства связано не только с количеством массы в одном месте, поскольку возможности наблюдения ограничены наличием горизонта событий. Самые маленькие горизонты событий находятся вокруг чёрных дыр с наименьшей массой. Для таких показателей, как приливные силы или распад чёрной дыры, близость к центральной сингулярности даже более важна, чем общая масса.
Это означает, что лучшие лаборатории для проверки многих аспектов общей теории относительности и для поиска первых тонких эффектов квантовой гравитации будут находиться вокруг самых маленьких чёрных дыр. Самые маломассивные из известных нам чёрных дыр возникают из нейтронных звёзд, которые сливаются и образуют чёрные дыры, масса которых всего в 2,5-3 раза больше массы Солнца. Самые маленькие чёрные дыры находятся там, где пространство изгибается сильнее всего, и, возможно, в них кроется ключ к следующему большому прорыву в нашем понимании Вселенной.
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх ????️
Комментарии (83)
Lambrusco
17.08.2023 15:19правильно ли я понимаю что более искривленное пространство имеет большую энергию? Частицы тунелируют наружу, т.е в зону с менее энергичным пространством, оттуда и излучение хокинга у маленькой дыры интенсивнее, так что ли?
Tyusha
17.08.2023 15:19+2Искривлëнное пространство само по себе не содержит никакой энергии. Вторая производная потенциала гравитационного поля — приливная сила, условно говоря, разрывающая пару частиц, около маленькой ЧД гораздо больше.
Lambrusco
17.08.2023 15:19тогда я вообще из статьи не понял, как связана большая приливная сила с тем, что у маленьких черных дыр сильнее излучение хокинга.
vadim_bv
17.08.2023 15:19+2Что касается излучения Хокинга, там просто масса в знаменателе — чем меньше масса, тем интенсивнее излучение. А приливная сила вообще не при чем. Приливная сила — это разность сил, условно, действующих на вашу голову и ноги. Понятно, что там бОльшую роль играет просто расстояние до этой массы.
Tyusha
17.08.2023 15:19+6На самом деле, я согласна: что приливная сила, что тунеллироание излучения из-под горизонта, что разделение пар частиц — это всё попытки наглядно объяснить излучения Хокинга. Но все они, вообще говоря, неправда.
Если уж кратко, но честно попытаться объяснить, то излучение Хокинга — это несовпадение in-вакуума, который был до образования ЧД, и out- вакуума после еë образования. Чтобы это ни значило. "Старый" вакуум до коллапса, как выясняется, уже не является вакуумом в метрике ЧД после коллапса.
Скажу более, если бы у нас была "вечная" ЧД, у которой не было фазы еë образования в прошлом, а она существовала всегда, то она и не излучало бы. Другое дело, что такого в нашей вселенной быть не могло.
Это я к тому, что фаза коллапса — принципиальный момент для последующего излучения Хокинга.
UPD. Наличие или отсутствие частиц зависит от системы отсчëта. Вакуум относителен при переходе в неинерциальную СО. Что для одного наблюдателя вакуум, то для другого кишит частицами, если наблюдать из ускоренной системы отсчëта. Это называется эффект Унру.
Эффект Хокинга из той же песни. Мы не можем метрику Минковского до коллапса "натянуть" на метрику образовавшейся ЧД и поэтому наблюдаем поток частиц.
NeoCode
17.08.2023 15:19+3При чтении статьи возник вопрос. Вот есть черные дыры разной массы и соответсвенно разного размера. А что мешает большим черным дырам сжиматься дальше? Есть сила, стремящаяся сжать черную дыру - гравитация. Но черные дыры вроде как стабильны в своих размерах. Получается, что есть некая сила, которая даже в черных дырах способна противостоять дальнейшему сжатию? Если да, то что это может быть? Так же как в звездах - негравитационные "фундаментальные взаимодействия" частиц (или того, что там от них осталось)?
Tyusha
17.08.2023 15:19+5Так они и сжимаются дальше до сингулярности нулевого размера в классической ОТО. Внутри ЧД пустая. Горизонт событий — это условная сфера, а не твердь.
MikeVentris
17.08.2023 15:19Дальше там еще интереснее. Когда начинаешь вникать в то, что такое голая сингулярность - мозг ломается сильнее, чем от попытки сходу правильно вкурить ОТО.
avost
17.08.2023 15:19что такое голая сингулярность
А сингулярность то - голая!
ksbes
17.08.2023 15:19Только эта голая сингулярность для внешнего наблюдателя образуется в бесконечном будущем. Т.е. для внешнего наблюдателя - горизонт событий это именно твердь материи (и энегрии) замеревшей в "стоп-кадре" (это при условии что там она была в момент образования или после, конечно).
Но при попытке прикоснутся к этой "тверди" (например, сесть на ракете) она начнёт "убегать" и сжиматься в сингулярность.
saag
17.08.2023 15:19Как это черная дыра пустая, это ведь остатки звезды
Tyusha
17.08.2023 15:19Ну... вот так. В этом по сути и состоит информационный парадокс: куда всë делось.
LaRN
17.08.2023 15:19А если со временем из-за излучения Хокинга масса дыры упадёт до того состояния, что дыра не может оставаться чёрной дырой, то дыра рванет и снова все вернётся и материя и информация?
ksbes
17.08.2023 15:19Нет - она просто исчезает и перестает существовать. Т.е. вся её масс-энергия переходит во всё хокингское излучение, что она излучила. Но тут возможен и вариант планковскими дырами - их энергии слишком мало чтобы породить какую-либо частицу и потому они перестают испараться. Т.е. чёрная дыра уменьшается до планковских размеров и так навечно и остаётся.
vanxant
17.08.2023 15:19+1Энергии у планковских ЧД не так уж и мало по меркам квантмеха, да и сколько бы ни было - на пару фотонов точно хватит при абсолютно любой энергии.
С другими законами сохранения сложнее. Если, например, у ЧД был небольшой электрический заряд, который не удалось вовремя сбросить (наглотавшись электронов или позитронов до того, как радиус ЧД стал меньше электромагнитного радиуса электрона ~3e-15 м), то испариться полностью квантовая ЧД уже не сможет.
И самой большой проблемой здесь будет момент импульса, он же спин. Но в этом случае гипотетически возможен другой вариант: при превышении спином J и зарядом Q некоторого значения (J² + Q² > M² в некоторых естественных единицах измерения) горизонт событий может просто исчезнуть.
Tyusha
17.08.2023 15:19Вы не правы, у планковской ЧД прорва энергии. Она весит примерно микрограмм. Это просто чëртова прорва энергии, так что распадаться ей есть куда. Однако происходит ли это, пока не понятно. Никаких фундаментальных запретов, вообще говоря, не видно. Но тут без квантовой гравитации ничего наверняка утверждать нельзя.
vanxant
17.08.2023 15:19+2Она пустая для внешнего наблюдателя. Для него существует только оболочка (горизонт событий). Вся масса, энергия, импульс, информация всего, что упало в эту ЧД - осталось на горизонте. Не существует способа продлить какую-либо систему координат внутрь ЧД, поэтому мы вообще не можем говорить о внутренностях ЧД. В нашей Вселенной просто больше нет этих точек (потому и "дыра").
А вот изнутри построить такую систему координат можно. При этом все внешние события, включая ещё не случившиеся, в этой системе произойдут до момента образования горизонта, а потом начнётся "новое время". Математически это выглядит как умножение всех координат, включая время, на мнимую единицу, т.е. события до образования ЧД будут иметь чистые мнимые координаты и действительное время с метрикой (+,-,-,-)
Tyusha
17.08.2023 15:19Не существует способа продлить какую-либо систему координат внутрь ЧД, поэтому мы вообще не можем говорить о внутренностях ЧД. В нашей Вселенной просто больше нет этих точек (потому и "дыра").
Этот полнейшая чушь. Есть координаты Крускала-Секереша, есть координаты Леметра, есть и другие, которые прекрасно и непрерывно описывают как внешнюю часть ЧД, так и горизонт, так и внутренности.
vanxant
17.08.2023 15:19Я удивлён читать подобное от Вас, при всём уважении.
Предъявите координаты Крускала, или кого вам будет удобно, описывающих внутренности двух разных ЧД и обычного пространства между ними одновременно.
(PS. Это невозможно)
Tyusha
17.08.2023 15:19А откуда взялась в обсуждении вторая ЧД? Речь всю дорогу была об одной. И вообще задача двух тел, насколько я знаю, в ОТО не решена.
vanxant
17.08.2023 15:19А откуда взялась в обсуждении вторая ЧД
Ну если вас не затруднит прочесть то, что вы назвали "полной чушью", то оттуда.
Речь всю дорогу была об одной
Не об одной, а "о половине". Изнутри ЧД математически возможно построить СО (напр. Крускала), хотя такие координаты с поворотом осей на 45' и будут иметь очень мало смысла снаружи ЧД. А вот в обратную сторону нельзя.
All999
17.08.2023 15:19+1до сингулярности нулевого размера в классической ОТО. Внутри ЧД пустая.
Иными словами, внутри ничего нет, только гравитация. Типа как носки на десятой стадии: носков уже нет, остался только запах)))
Имхо, теория относительности хороша для всяких гравитаций, но не стоит применять её для слишком предельных (запредельных) случаев, ибо она начинает предсказывать абсурд вроде нулевого размера того, что внутри ЧД.
Обычное вещество громоздкое, ибо пустое внутри: ядро атома ма-аленькое, электроны далеко, пустоты много. При достаточном сжатии можно затолкать электроны в ядро, первая пустота исчезнет, получится нейтронное вещество. Но нейтроны из чего-то состоят, вроде из кварков. Между кварками тоже, наверно, пустота, вторая. Если нейтронное вещество сжать, эту пустоту тоже, наверно, можно выбрать. Это сжатие в реальности возможно только гравитацией, очень большой. А классическая небесная механика, по которой летают спутники, при этом никуда не девается, вторая космическая для земной массы 11км/с, но это при расстоянии 6400км до центра. Уменьшить размер вдвое при той же массе, и вторая космическая будет уже вчетверо больше, 44 км/с. Ещё меньше - ещё быстрее, вплоть до скорости света при 1 сантиметре, но это не значит, что вещество исчезнет, просто появится непрозрачная плёнка горизонта событий. Ну, вслучае Земли это сферично и вакуумно, а в случае тяжелой звезды - реально. Белый карлик при перетяжелении осядет в нейтронную звезду, нейтронная звезда при перетяжелении осядет в неизвестно что, вполне возможно, находящееся недалеко от горизонта и имеющее вполне реальный размер.
vanxant
17.08.2023 15:19Между кварками тоже, наверно, пустота
нет, там как раз лютая каша из глюонов и кварков. Настолько лютая, что говорят о "валентных кварках". Ну то есть это каша, у которой сохраняется сумма барионных и прочих зарядов, а сами кварки возникают и исчезают с планковскими скоростями.
polos75
17.08.2023 15:19С точки зрения внешнего наблюдателя, при приближении к радиусу шварцшильда, время на чёрной дыре останавливается. Поэтому для нас они и имеют такой размер, плюс-минус поправки на заряд и вращение. Чтобы узнать, что внутри - нужно туда слазить.
vassabi
17.08.2023 15:19не "слазить", а быть внутри до образования ЧД.
кстати интересный вопрос - а если уменьшить плотность внутри ЧД, она же сможет обратно в нейтронную звезду вернуться? или всё, "с концами" ?vanxant
17.08.2023 15:19Ну это вопрос оооочень на тоненького. Если внутри сверхмассивной ЧД есть другие маленькие ЧД, и эти ЧД сливаются, то масса слившейся ЧД будет меньше суммы масс исходных ЧД. Часть их энергии-массы переходит в грав. волны. Эти волны не смогут покинуть внешнюю ЧД, но сами по себе они не гравитируют (спорный момент, но разные авторитетные товарищи от Эйнштейна до Торна и Уилера считают, что не гравитируют). Т.е. радиус внешней ЧД должен уменьшиться, и, возможно, внешняя ЧД может выпустить наружу ещё какую-то массу. Но в нейтронку вроде как в любом случае превратиться она не сможет.
vros
17.08.2023 15:19+1Черная дыра - это не физическая поверхность, которая может гулять туда-сюда. Это некий уровень, который возникает, если внутри него оказывается масса, которая не позволяет свету его покинуть. И что там происходит с массой дальше внутри - нам неизвестно, она может сжиматься, может не сжиматься - уровень останется прежним. Он может измениться тлько при изменении массы.
0Bannon
17.08.2023 15:19Т.е. получается для каждого объекта в пространстве создается некая "форма", оно заполняется материей и получаем объект в физическом мире, у которого есть гравитация. Если уменьшить массу, то "форма" то останется, и гравитация уменьшается. Как-то так примерно.
Tyusha
17.08.2023 15:19Если дело сжалось до размера горизонта событий, то оно неизбежно сожмëтмя и дальше, ибо дальше покой невозможен. Метрика такова, что возможно только падение к центру, неважно в какое вещество превратилась звезда, в какую супер-пупер кварковую плазму.
vanxant
17.08.2023 15:19покой невозможен
Покой невозможен, а динамика очень даже. Ну, как пример, в статике и самолёты не летают и велосипеды не ездят.
Метрика такова, что возможно только падение к центру
Это метрика предельного случая, которую удобно считать. Не имеет отношения к реальности. Сверхмассивная ЧД им. Пенроуза (масса 1e10 солнечных, состоит из 1е10 нейтронных звёзд массой 1 солнечную, радиус примерно равен радиусу солнечной системы по Уран) динамически устойчива без всяких сингулярностей. Нейтронные звёзды радиусом 20 км летают мимо друг друга на релятивистских скоростях со среднм расстоянием в 1 млн км и сталкиваются исключительно эпизодически, снижая общую массу.
vros
17.08.2023 15:19Согласно теории пульсирующей вселенной Ника Горькавого мы все живем внутри ЧД. Пока расширяемся.
raamid
17.08.2023 15:19Интересно, а можно ли маленькую черную дыру массой например с Луну использовать в качестве источника энергии? Диаметр такой черной дыры должен быть доли милиметра, может быть даже микроны. По идее, можно разместить такую дыру где-то подальше от Земли, кидать туда любое вещество, вещество будет разгоняться до субсветовых скоростей и, таким образом, изулучать энергию лучше термоядерного реактора. Заодно и проблему мусора решить.
А еще из черной дыры получилась бы отличная гравитационная катапульта.
Осталось решить мелкие технические детали ;)Tyusha
17.08.2023 15:19+15Всё уже придумано. Если ЧД вращается (а вращаются они все), то над горизонтом событий существует область — эргосфера. В отличие от горизонта событий, еë ещё можно покинуть. Если туда попадëт тело, затем внутри оно разделится на две части так, что одна часть упадëт в ЧД, то другая часть вылетит обратно, отобрав у ЧД момент вращения.
Делаем закольцованный конвейер, который одной своей частью спускается в эргосферу. Грузим на ленту мусор, который в момент прохождения эргосферы сбрасывается с ленты в ЧД. Лента конвейра получает ускорение. Подключаем к ней генератор.
Таким образом избавляемся от мусора и получаем взамен колоссальную энергию порядка mc^2 от выброшенного мусора. Профит.
Экогород вокруг чëрной дыры Это картинка из книжки "Космические рубежи теории относительности". Эта книжка, прочитанная в школе, перевернула всë и определила всю мою жизнь: 239 — Физтех — наука.
wormball
17.08.2023 15:19Только есть два маленьких но (помимо того, что такой конвейер не из чего строить). Во-первых, мусор — это то, что было полезно, стало быть, состоит из полезных веществ. Избавляться от мусора безвозвратно — это значит попросту лишать себя и своих потомков самых полезных ресурсов. А во-вторых, получается, что мы таким макаром раскручиваем этот наш экогород, так что вскорости он улетит в космос.
Tyusha
17.08.2023 15:19Да, кстати, про раскрутку не подумала. От момента надо как-то избавляться.
vanxant
17.08.2023 15:19+1На самом деле, в качестве мусора можно использовать обычные фотоны. Если длина волны фотона хотя бы примерно в пи раз больше диаметра ЧД, дыра не сможет засосать такой фотон (ну, сможет, но при отношении пи или больше вероятность падает в ноль). А вот фотон при правильном угле падения сможет отобрать у дыры немного импульса и неизбежно энергию. При неправильном - наоборот, дыра сможет отобрать у фотона часть его энергии.
(Хочу особо подчеркнуть, что эта энергия качается не из "внутренностей" чёрной дыры, а из её "внешней" энергии вращения. Само вращение ЧД в результате будет замедляться)
All999
17.08.2023 15:19Если звёзды вертятся, то и то, что, из них получается, тоже должно вертеться, а ради сохранения момента верчения - быстро. Нейтронные звёзды - очень быстро,иэто при том, что они иногда сбрасывают часть массы, разменивая свои об/мин на добавку к первой и второй космическим к сброшенному веществу, примерно так же, как и ракеты, выгодно стартующие с экватора. А нейтронная звезда при переходе в ЧД вроде не должна взрываться, это в белом карлике есть чему гореть, а НЗ просто должна уменьшить диаметр. Значит, обороты должны подрасти. А если вспомнить старика Эйнштейна с рисуночком "шарик на сеточке", то это вращение по идее должно бы закручивать пространство? Это можно измерить или хотя бы засечь? Например, вокруг Стрельца-А звезды летают с одним наклонением, или или разными? Значит, те, что на полярных орбитах в периЧернодырии)) должно сносить. А если верить классической версии, в которой дыра растёт методом аккреции из диска (вращающегося!), то в процессе набора миллионов солечных масс она должна там раскрутиться до околосветовой скорости на поверхности центрального объекта, какой бы он там ни был. А особенно интересные ЧД были бы некоторой, наверно, небольшой массы, которую надо будет ещё высчитать в предположении, что нейтроны состоят из кварков, которые настолько же мельче нейтронов, насколько нейтроны мельче атомов, но при этом имеют вполне реальный размер, тем самым дающий размер гравтирующему объекту под горизонтом событий, снаружи проявляющийся вращательным искривлением пространства. А сами кварки тоже из чего-то состоят, ещё мельчего, и при наборе некоторой массы должны скачкообразно сложиться в микрокварки, с уменьшением размеров, но не до нуля, с скачкообразной же раскруткой, этакий аналог сверхновой 1А.
Интресно, возможно ли формирование планет вокруг нейтронных звезд? Не сохранение старой планетной системы, а именно формирование? В Крабовидной туманности материала для этого вроде много. Значит, и вокруг чего потяжелее должно быть возможно, что черной дырой станет, просто Краблвидная сосем рядышком, можно рассмотреть перспективы. Если можно, то надо искать планеты у черных дыр и по ним можно будет судить о составе нейтрона.
Tyusha
17.08.2023 15:19+1Вы тут и выше пишите всякую ересь, что даже на хочется комментировать. Ел на одно отвечу:
вращение по идее должно бы закручивать пространство? Это можно измерить или хотя бы засечь?
Это действительно так. Вращающиеся объекты увлекают во вращение пространство. И этот эффект давно зарегистрирован даже для вращающейся Земли в эксперименте Gravity Probe B (Википедия в помощь).
Tarakanator
17.08.2023 15:19+1Я тоже думал над этой идеей. Получается, что такая ЧД ещё и вечный двигатель второго рода?
ksbes
17.08.2023 15:19+1На первый взгляд - да. Они вроде как уничтожают информацию и снижают энтропию. Но там есть много всяких НО и и теорий. Вроде белых дыр, которые "выплёвывают" всё что собрала чёрная.
vadim_bv
17.08.2023 15:19В журнале Земля и Вселенная в 1980-е годы была статья на эту тему. "Всё уже украдено до нас".
Самого журнала у меня точно нет, но библиографическую ссылку могу поискать.
Wizard_of_light
17.08.2023 15:19+1О, есть такая книга, "Энергетика чёрных дыр" Игоря Дмитриевича Новикова.
phenik
17.08.2023 15:19+1Это означает, что именно чёрные дыры с наименьшей массой являются местами, где пространство наиболее сильно искривлено из всех мест во Вселенной, и во многих отношениях представляют собой наиболее чувствительную природную лабораторию для проверки пределов общей теории относительности Эйнштейна.
Как насчет гипотетических микроскопических ЧД, которые пока еще не обнаружены? А если будут обнаружены, то станут лабораторией для проверки кандидатов в теорию кв. гравитации.
Солнечное затмение 1919 года, когда свет от далёких звёзд отклонялся Солнцем, привело к тому, что путь света искривился менее чем на тысячную долю градуса. Это было первое наблюдательное подтверждение общей теории относительности, вызванное самой большой массой, доступной нам в нашей Солнечной системе.
Нет, первым наблюдением такого рода, известным еще до создания ОТО, было аномальное смещение вращение перигелия Меркурия, котрое никак не удавалось объяснить в рамках теории ньютоновской гравитации. Это и было первым наблюдаемым подтверждением ОТО.
Tarakanator
17.08.2023 15:19Нет, первым наблюдением такого рода, известным еще до создания ОТО, было аномальное смещение вращение перигелия Меркурия, котрое никак не удавалось объяснить в рамках теории ньютоновской гравитации. Это и было первым наблюдаемым подтверждением ОТО.
Нет. Для подтверждения вы должны СНАЧАЛА сделать предсказание, а потом сделать измерение.
Иначе мы приходим к тому, что теория струн самая подтверждённая теория т.к. она может объяснить всё.(а на самом деле её можно просто подогнать ко всему)phenik
17.08.2023 15:19+1В комментируемой цитате говорится о подтверждении теории, а в него входят, как объяснения известных явлений необъясненных существующими теориями, так и подтвержденные предсказаний теории.
Иначе мы приходим к тому, что теория струн самая подтверждённая теория т.к. она может объяснить всё.(а на самом деле её можно просто подогнать ко всему)
Проблема ТС в том, что она не построена на новом эмпирическом базисе, который в прямую противоречил бы существующим фундаментальным теориям СМ и ОТО. Как в свое время установление инвариантности скорости в опытах Майкельсона-Морли (отсутствие "эфирного ветра") в прямую противоречило посылкам классической механики, и фактически послужило мотивом разработки СТО. А ТС это еще одна математическая упаковка (формализм, точнее целая группа формализмов) известных фактов описываемых этими теориями. Поэтому нет предсказаний за их рамками, которые можно было бы проверить. Точнее есть в районе планковских величин, энергиях на много порядков больших достижимых в современных ускорителях, но такие предсказания есть и в модификациях СМ.
Tyusha
17.08.2023 15:19+1Проблема планковских ЧД, что они никак не взаимодействуют с веществом, ибо невообразимо малы. Если сечение взаимодействия нейтрино с веществом 10^-43, то у микроскопических ЧД оно 10^-66. Нейтрино ловят в час по чайной ложке на мегадетекторах, а в случае ЧД сечение взаимодействия ещё на... 23, мать его, порядка величины меньше.
И не надо бояться, что такие ЧД нас поглотят. Мы для низ прозрачны, мы для них не существуем вовсе.
Внимательный читатель воскликнет: так вот он тёмное вещество — микроскопические ЧД! Но нет. Есть причина, почему эта гипотеза не работает. Сергей Попов говорил почему, но я забыла. Проблема, мне кажется, в том, что тёмное вещество образует какие-никакие структуры в гало галактик, а из микро-ЧД это не получится.
phenik
17.08.2023 15:19И не надо бояться, что такие ЧД нас поглотят.
Ладно, успокоили..) помню панические настроения в Европе при запуске БАКа)
Tarakanator
17.08.2023 15:19+2Сергей Попов показывал что есть ограничения на долю в тёмном веществе, которые составляют ЧД разных масс. Чтобы объяснить всё тёмное вещество вам нужно построить весьма замысловатый график распределения количества ЧД по их массам. Что возможно но выглядит не красиво. НО:
1)это всётаки возможно
2)вроде бы там не рассматривались планковские ЧД, но я могу ошибаться.
3)как я понял одно из серьёзных ограничений оказалось неверным. И теперь требуемый график распределения выглядит не так уж некрасиво.
yaff
17.08.2023 15:19-3„Самые маленькие чёрные дыры находятся там, где пространство изгибается сильнее всего, и, возможно, в них кроется ключ к следующему большому прорыву в нашем понимании Вселенной.”
Ваше утверждение на самом деле не совсем точно. Черные дыры не обязательно находятся там, где пространство изгибается сильнее всего. Черная дыра образуется, когда звезда с большой массой исчерпывает свои ядерные запасы и коллапсирует под собственной гравитацией.
Черные дыры классифицируются по своей массе. Существуют маленькие черные дыры, называемые "примарными" или "стелларными" черными дырами, масса которых составляет примерно от нескольких до нескольких десятков масс Солнца. Они образуются в результате коллапса звезд средней массы.
Однако, ключевым прорывом в нашем понимании Вселенной не является именно размер черных дыр, а скорее их свойства и взаимодействие с окружающим пространством. Например, черные дыры играют важную роль в теории общей относительности и космологии, а также в изучении гравитационных волн.
Научное сообщество активно исследует черные дыры разных размеров, включая маленькие черные дыры, и проводит наблюдения и эксперименты, чтобы расширить наше понимание их природы и свойств. Это важная область исследований, но на данный момент нет однозначных доказательств того, что маленькие черные дыры имеют ключевое значение для следующего большого прорыва в нашем понимании Вселенной. Наука все еще активно работает над этим вопросом.
ksbes
17.08.2023 15:19+3ChatGPT, залогинтесь!
AlexSpirit
17.08.2023 15:19+2Банить таких надо, за создание информационного мусора и увеличение энтропии вселенной.
vanxant
17.08.2023 15:19Ваше утверждение на самом деле не совсем точно.
На самом деле, оно просто неверно. Если мы говорим про реально наблюдавшиеся объекты, то максимум искривления пространства наблюдается у нейтронных звёзд предельной массы. Чисто теоретически у свежерожденной звёздной ЧД минимальной массы будет настолько же сильно искривлённое пространство, но мы к сожалению не наблюдали таких объектов. По мере набора мусора радиус ЧД быстро растёт, а приливные силы и ускорение свободного падения на её горизонте - уменьшаются.
axe_chita
17.08.2023 15:19+2Интересно, а что будет с черной дырой, чья масса является критически минимальной от нижнего предела, в тот момент когда она из-за излучения Хокинга потеряет энергию и массу, и у неё исчезнет горизонт событий? Вещество продолжит падать к центру масс бывшей черной дыры? Или его разбросает с околосветовыми скоростями по направлению вектора вращения черной дыры? Произойдет взрыв сверхновой? Или пространство вокруг неё «вздуется пузырем»?
vanxant
17.08.2023 15:19Мы не можем ничего сказать про внутренности ЧД, но снаружи ничего особого не произойдёт, радиус ЧД просто немного уменьшится. И да, если "прямо под горизонтом" что-то было, это что-то гипотетически может удрать. Но никаких взрывов не будет.
axe_chita
17.08.2023 15:19Про необъяснимые внутренности ЧД речь не идет, поэтому проведем мысленный эксперимент опираясь на известные законы физики. Далее пойдет большое количество спекулятивных предположений и выводов.
Вначале речь пойдет о зависшей материи, которую натырила ЧД, пересекшей линию горизонта событий. Ведь для этой материи время остановилось и соответственно движение в системе координат ЧД прекратилось. Но КМК в момент когда масса ЧД становится меньше критической в 3 солнечных, то горизонт событий исчезает и бывшую ЧД начинают покидать первые фотоны в виде электромагнитных волны длиной волны в десятков и единицы световых секунд. Чем дальше, тем короче длина излучаемых радиоволн. КМК после этого объект, дадим ему условное название "дырка от бублика" ;), начнет "стрелять" протонами и нейтронами с формального экватора объекта, а также у объекта появится сильное магнитное поле, и он начнет терять импульс вращения и одновременно разогревать и разгонять выбрасываемую им плазму формируя своеобразный бублик. В определенный момент, когда масса "центральной дырки от бублика" перестанет доминировать, магнитное поле центрального коллапсирует, и бублик рвется на несколько частей звездной или субзвездной массы которые покидают данную систему на приличных скоростях. Оставшаяся "дырка", если она переживет покидание компаньонов, превратится в заурядную звезду, солнечной или субсолнечной массы. очень горячую и очень "металлическую", с высокой скоростью вращения.
КМК это довольно правдоподобный вариант испарения ЧД подкритической массы;)vanxant
17.08.2023 15:19+1для этой материи время остановилось и соответственно движение в системе координат ЧД прекратилось
Нет. Время остановилось только в системе координат внешнего наблюдателя. Ни в сопутствующей падающей материи СО, ни в системе координат ЧД время не замораживается!
(И даже в СО внешнего наблюдателя это неверно. Слияние двух ЧД занимает, с точки зрения нас как внешнего наблюдателя, порядка 100 секунд, а отнюдь не бесконечность)
гда масса ЧД становится меньше критической в 3 солнечных, то горизонт событий исчезает
Нет, горизонт исчезает, только, когда и если сила гравитации больше не может перебороть кулоновскую и центробежные силы, т.е. когда M² становится меньше, чем J² + Q². Если этого не происходит, то ЧД может испаряться вплоть до планковских размеров.
Дальше, извините, у вас "Остапа понесло":)
axe_chita
17.08.2023 15:19Так я и не спорю что понесло:) Я в преамбуле прямо сказал что всё предположения в этом мысленном эксперименте спекулятивны и натянуты. :)
axe_chita
17.08.2023 15:19+1Кстати, Ютуб подсмотрел что я искал последнее время, и вывалил в выдаче ролик из серии for
drummersnovice «What Happens If You Destroy A Black Hole?»
Olegsoft
17.08.2023 15:19А чё никто не проверит теорию, что внутри в центре каждой планеты находится по маленькой ЧД ?
vanxant
17.08.2023 15:19+1Ну вы спуститесь в центр Земли, посмотрите как там чего, потом расскажете:)
ssj100
17.08.2023 15:19Уже ... Плутония. Владимира Афанасьевича Обручева.
vanxant
17.08.2023 15:19Не рекомендую и даже осуждаю. Читал в детстве, вперемежку с Азимовым, Ефремовым и прочими Шекли. И даже тогда поразился, насколько это никакая книга. Ни с физической точки зрения, ни с литературной. Там же в книжке довеском были его избранные рассказы, это вообще лютый кринж. Герои космонавты вернулись с Марса, дают интервью, ура-ура, какие планы? — завтра к обеду полетим втыкать флаг в Юпитер.
Tyusha
17.08.2023 15:19+2Уже давно проверено. Если бы внутри Земли крутился бы конденсат из упавших туда микроскопических чёрных дыр,то это дало бы вполне конкретный фон нейтринного излучения, которого не наблюдается. Докучаев занимался этим в 90-е годы.
Tarakanator
17.08.2023 15:19+2"Почему самые маленькие чёрные дыры искривляют пространство сильнее всего"
Неправда. Правда в том, что максимально искривлённое пространство находится под горизонтом ЧД. Чем больше масса ЧД, тем менее искривлённое пространство попадает под горизонт. Поэтому если рассматривать только пространство над горизонтом, то наиболее искривлённое оно у наименее массивных ЧД.Tyusha
17.08.2023 15:19Совершенно верно! Это мысль, которая появляется в первую же секунду после прочтения заголовка статьи.
Tarakanator
17.08.2023 15:19Даже по ньютону прикинуть можно. Если кривизна пространства это разница между силой гравитации в одной точке пространства и в соседней.
Сила гравитации пропорциональна m/r (масса и расстояние от центра ЧД)
2m/2r=m/r(при массе вдвое большей, горизонт будет вдвое дальше от центра ЧД)2m/(2r+1)>m/(r+1) если отступить на 1 попугай от горизонта событий, то в случае с более массивной ЧД гравитация уменьшиться слабее.
2m/2r-2m/(2r+1)<m/r-m/(r+1) Разница между гравитацией у горизонта и в 1 попугае от горизонта будет меньше у более массивной ЧД.
kauri_39
17.08.2023 15:19Наблюдается ли уменьшение масс ЧД за счёт излучения Хокинга? А вот постоянное увеличение масс СМЧД в центрах больших эллиптических галактик наблюдается. Оно происходит и после того, как у чёрных дыр заканчивается питающая их материя (газ, звёзды) пойманная их гравитацией.
Сомневаться в этом открытии не приходится. По словам астронома Алексея Моисеева, едва ли есть серьёзная проблема в оценках масс ЧД. Сомневаться можно (и нужно) в предположении учёных, что ЧД с постоянно растущей массой являются… источниками тёмной энергии для расширения Вселенной. Логичнее предположить обратную связь, но это уже отдельная тема.
SbWereWolf
17.08.2023 15:19Удвоение массы приводит к удвоению радиуса горизонта событий.
Расстояние до горизонта событий обусловлено силой притяжения, сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, увеличение массы увеличивает горизонт событий в квадратный корень из двойки.
F=(G*m1*m2)/r*r, где r - расстояние между телами с массой m1 и m2
vanxant
Как же всё-таки задолбал этот американский научпоп с его "каждая формула кроме эм-цэ-квадрат снижает продажи вдвое". Простейшая формула, связывающая кривизину и радиус чд, заменила бы половину статьи. Простейший рисунок с табуреткой на большом шарике и такой же табуреткой, но на маленьком, и стрелочками от ножек к центру шарика, была бы в 100 раз информативнее всей статьи.
Ну и вот это место:
после которого не следует никаких пояснений, чего же там сложнее и интереснее - это прям огонь! "Ты, читатель, тупой, всё равно не поймёшь!" — так что ли?:)
valisak Автор
Нет, просто это обширная тема для отдельной статьи:
https://habr.com/ru/articles/400705/
https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/706990/