Тёмной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Но как это влияет на чёрные дыры?
Одного дня достаточно, чтобы мы выросли, или, наоборот, уменьшились.
— Пауль Клее
Хотите верьте, хотите – нет, но цитата подходит как к чёрным дырам, так и к людям. Иногда чёрная дыра может несказанно прирасти, а иногда – потерять больше массы-энергии, чем приобрела. На этой неделе статья посвящается вопросу Майкла Бута, который затрагивает не только этот аспект чёрных дыр, но и более тёмную их сторону:
Поскольку тёмная материя взаимодействует с барионной только через гравитацию, и поскольку тёмной материи существует в 5 раз больше, чем барионной, 5/6 чёрных дыр должны содержать тёмную материю. Сообщает ли нам эта информация что-либо полезное касательно чёрных дыр?
Отвечая на этот вопрос, нужно рассмотреть много аспектов, так что начнём мы с описания того, что такое чёрная дыра, и с того, что наша планета ею не является.
Если взять такую планету, как Земля, у неё есть огромное количество гравитационной энергии, удерживающее нас на поверхности. Чтобы убежать от гравитационного поля планеты, нам необходимо достичь огромных скоростей порядка 11 200 м/с. Гравитационное поле в фотосфере Солнца гораздо сильнее, там нужно двигаться со скоростью порядка 618 000 м/с, чтобы вырваться из его гравитационного поля. Это большие скорости, но достижимые.
Но если мы разместим достаточно массы в достаточно малом объёме пространства, скорость убегания может превысить 299 792 458 м/с, что равно скорости света в вакууме. А поскольку ничто не может перемещаться быстрее, ничто не сможет вырваться из такого гравитационного поля, даже свет. И мы получим чёрную дыру.
Снаружи нельзя сказать, создана ли изначально чёрная дыра из протонов и электронов, нейтронов, тёмной материи или даже антиматерии. Существует, насколько мы можем судить, всего три характеристики чёрной дыры, которые мы можем определить, наблюдая за ней: масса, электрический заряд и угловой момент, описывающий скорость её вращения. Поэтому, если нам нужно узнать, состоит ли изначально чёрная дыра из обычной, барионной, материи, или она состоит из тёмной материи, нам нужно посмотреть на:
Астрофиизку того, как формируются чёрные дыры;
Научную картину того, как они, единожды образовавшись, приобретают и теряют массу
Начнём с их происхождения.
Когда вы смотрите на молодой звёздный кластер в небе, вы, скорее всего, увидите набор из очень заметных голубых звёзд. Посмотрев поближе, вы бы обнаружили, что хотя эти звёзды самые горячие и яркие, они не являются представителями большинства. На каждого голубого гиганта приходятся сотни обычных звёзд, типа Солнца, или тусклее. Вообще, всего лишь 5% звёзд, которые когда-либо сформировались во Вселенной, больше и ярче нашей звезды!
Но именно самые большие, горячие и яркие звёзды имеют отношение к чёрным дырам, хотя они и самые редкие. Причина их яркости в том, что они сжигают своё ядерное топливо очень быстро. Звезда типа Солнца может жить 12 миллиардов лет до тех пор, пока не истратит всё горючее в ядре, но звезда в 10 раз массивнее проживёт лишь 0,1% от этого срока. Учтите, что самые массивные из известных нам звёзд в сотни раз массивнее Солнца, и представьте, насколько меньше эти гиганты живут.
Конечно, они могут сжечь и синтезированные ими элементы, они могут превратить гелий в углерод, затем углерод в кислород, неон и магний, затем кислород в кремний, а затем кремний в железо – и каждый раз ядро звезды будет сжиматься и разогреваться.
Именно эти процессы сгорания сдерживают звезду и не дают ей коллапсировать из-за гравитации, но железо – это последняя соломинка. После этого последнего шага уже не получить энергию из превращения железа во что-то более тяжёлое, поэтому ядро звезды коллапсирует. Ни атомы, ни ядра не могут сдержать гравитационные силы, и пока внешняя оболочка звезды красиво взрывается и превращается в сверхновую, внутренняя часть коллапсирует в чёрную дыру.
Поэтому сначала, когда они появляются, чёрные дыры на 100% состоят из нормальной, барионной материи, и на 0% из тёмной материи. Тёмная материя взаимодействует только через гравитацию, в отличие от обычной, которая взаимодействует через гравитацию, слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия. Всё это – сложный способ объяснить, что когда обычная материя взаимодействует с другой обычной, она может слипаться, комковаться, обмениваться импульсами и собирать ещё материю. Тёмная материя не комкуется ни с обычной материей, ни сама с собой. Поэтому, представляя галактики и кластеры, мы видим спиральные или эллиптические галактики, где обычная материя собрана в относительно небольшом объёме, но они включены в гало тёмной материи, которая простирается, возможно, на тысячи объёмов обычной.
Да, в крупных галактиках и кластерах тёмной материи, возможно, существует в пять раз больше, чем обычной. Но всё это считается только внутри всего огромного гало. В тех регионах космоса, о которых мы говорим, обычная материя преобладает над тёмной. Рассмотрим наш район около Солнца. Если мы нарисуем сферу радиусом в 100 а.е. (а.е. – расстояние от Земли до Солнца) вокруг Солнечной системы, мы включим в неё все планеты, луны, астероиды, почти весь пояс Койпера, но барионная масса (обычной материи) того, что будет внутри сферы, в основном будет принадлежать Солнцу, и составит порядка 2 * 1030 кг. С другой стороны, масса тёмной материи в этой сфере составит 1 * 1019 кг – примерно 0,0000000005% от массы обычной.
Для сравнения, примерно столько массы сосредоточено в астероиде Джуно, который на картинке внизу идёт под номером «3», и нарисован на фоне Луны для сравнения.
Говорим ли мы об индивидуальных черных дырах, расположенных в тысячах световых лет от центров галактики, или сверхмассивных, получившихся из-за слияния множества чёрных дыр вблизи галактического ядра, все они начали своё существование с содержания примерно 100% обычной и 0% тёмной материи.
Но со временем они поглотили оба вида материи.
Несмотря на распространённое заблуждение, чёрные дыры не засасывают всё внутрь, они просто распространяют гравитационное притяжение. Тёмная материя, в иных условиях пролетевшая бы мимо, будучи затянутой гравитацией внутрь горизонта событий, будет съедена чёрной дырой, которая нарастит свою массу. Но обычная материя, оказавшаяся вблизи чёрной дыры, будет излучать волны, распадётся и потеряет импульс. Также она будет взаимодействовать с аккреционным диском, испытывать трение, терять импульс и увеличивать количество проглатываемой материи. Иначе говоря, даже когда обычная материя просто пролетает мимо, часть её съедается дырой – в случае с тёмной материей такого не происходит.
Если вам нужно вырастить чёрную дыру, проще всего будет посчитать пропорции съеденных ею обычной и тёмной материи, взяв пропорциональную плотность обычной и тёмной материи в этом регионе. Для нашего местоположения плотность обычной материи составляет 1,2 * 1028 кг на кубический световой год, а плотность тёмной материи — 2,5 * 1027 кг на кубический световой год, или 20% от обычной. Неплохо!
Нужно помнить, что мы находимся на периферии Млечного пути, а в центре галактики всё совсем не так.
Там содержится ещё больше тёмной материи, поскольку плотность гало тёмной материи должна увеличиваться по мере продвижения к центру галактики. Однако, увеличиваться она будет не так уж сильно. Тут очень много неопределённостей, но даже самое оптимичтичное увеличиние даст нам множитель в районе 10 000. С пессимистическим, или более изотермическим, множитель будет от 10 до 100. С другой стороны, плотность нормальной материи в галактическом центре в 50 миллионов раз больше, чем тут у нас. И хотя в нашем регионе вклад тёмной материи в чёрную дыру может достигать 16%, в галактическом центре это число может составлять не более, чем 0,004%.
Такая вот жестокая реальность:
- чёрные дыры формируются почти полностью из обычной материи, неважно, где это происходит
- те, что формируются в регионах с низкой плотностью материи – таких, как наш – будут иметь в составе приличную порцию тёмной материи, но в среднем, её вклад будет гораздо меньше, чем вклад обычной
- те, что формируются в регионах с высокой плотностью материи – таких, как центр галактики – сильно вырастут в массе, но 99,996% этой массы будет получено от обычной материи
Так что грустная правда в том, что тёмная материя – слишком малый компонент, участвующий в формировании чёрной дыры, чтобы на что-то влиять, и поэтому ничего особенного о ней мы не узнаем.
Для тех, кто интересуется потерей чёрными дырами массы: это происходит благодаря излучению Хокинга. И хотя оно однозначно происходит, оно идёт так медленно, что на этих временных отрезках им можно пренебречь. Чёрной дыре массой с Солнце потребовалось бы 1067 лет для испарения, то есть, она теряет массы меньше одного электрона в год. Крупнейшим сверхмассивным чёрным дырам Вселенной потребовалось бы 10100 лет для испарения, при этом они потеряют массу, сравнимую с электроном, когда пройдёт столько же времени, сколько прошло с начала существования Вселенной. Поэтому тем, кто надеется увидеть потерю массы, придётся ждать момента, когда Вселенная опустеет из-за тёмной энергии, и чёрные дыры окажутся вышвырнутыми из нашей галактики из-за гравитационных взаимодействий до того, как скорость уменьшения чёрных дыр сравняется со скоростью их роста из-за поглощения материи.
И вот вам ответ на вопрос, сделаны ли чёрные дыры из тёмной материи. Они могут состоять из неё максимум на 0,004%, и это самая оптимистичная оценка для самых массивных из них. Спасибо за отличный вопрос, Майкл, и те из вас, кто хочет задать вопрос для следующей колонке, могут присылать их мне!
Комментарии (115)
pda0
16.06.2016 20:37+1Тут внезапно подумалось: Считается, что тёмной материи в разы больше, чем видимого вещества, а так же допускают, что её частицы являются собсвенными частицами, аннигилируюя при редких столкновениях, рассыпаясь на фермионы и W/Z бозоны. И вот подумалось, это значит, что распад тёмной материи, являясь источником водорода, может в несколько раз продлить звёздную эру.
lakroft
17.06.2016 12:52В статье говорится, что в объеме звезды плотность темной материи, по сравнению с барионной, очень мала. Так-что ее вклад в звездную эру будет незначительным.
А можно ссылочку на тему распада темной материи? В яндексе такого не нашлось.pda0
17.06.2016 13:45см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вимп; http://dept.astro.lsa.umich.edu/~ognedin/dwarf2009/talks/zemp.pdf
Но на stackexchange уже подсказали, что высокая энергия продуктов распада помешает их стягиванию в газовые облака. Так что нет, не продлит.
maxzhurkin
18.06.2016 10:33Так про тёмную материю практически ничего неизвестно; О её существовании известно только потому, что галактики в гравитационном смысле ведут себя так, как будто они в разы крупнее и тяжелее, чем выглядят, при том попытки объяснить это провалились. То есть вокруг галактик есть много материи, которая проявляет себя только гравитационно. Эту материю (в данном случае я использую этот термин, как общий для всего, обладающего массой) и назвали тёмной материей.
Mad__Max
17.06.2016 18:41+1Если такое и происходит, то вероятность (и следовательно интенсивность процесса) слишком низкие, чтобы на что-либо существенно повлиять.
Сейчас темную материю кроме попыток прямого обнаружения (при крайне редких взаимодействиях с обычных веществом — наподобие нейтрино) так же активно ищут как раз по продуктам подобного распада, делая разные предположения о том что частицы могут быть не стабильны (иметь конечный период полураспада) или являться собственными античастицами и аннигилировать сами с собой.
Пока ничего так и не нашли, но как обычно в науке отрицательный результат — тоже важный результат. Уже стало понятно, что если такое и происходит в реальности, то с очень низкой вероятностью.
LynXzp
17.06.2016 01:10-1Цитата изменена:
Чтобы покинуть Землю нам необходимо достичь скорость порядка 11 200 м/с. Солнце — 618 000 м/с. Черную дыру — необходимая скорость может превысить 299 792 458 м/с, что равно скорости света в вакууме. А поскольку ничто не может перемещаться быстрее, ничто не сможет вырваться из такого гравитационного поля, даже свет.
Теперь цитирую «Зри в корень»Чтобы перебросить камень через 10-метровое дерево, надо придать камню вертикальную скорость порядка 15 м/с; в то же время комар достигает его вершины, двигаясь со скоростью 0,1 м/с… А полет с постоянно включенными двигателями позволяет добраться до Луны при любой скорости.
http://n-t.ru/ri/mk/sk024.htm
Означает ли это что при наличии корабля который не разрушиться от такой сильной гравитации, необходимого топлива и достаточной мощности двигателя можно вылететь с черной дыры и тем самым преодолеть горизонт событий?
San_tit
17.06.2016 09:21+2Тут не очень корректно использованы космические скорости (это начальная скорость и далее без тяги, чтобы). В случае с черной дырой необходимо будет бесконечное количество энергии, чтобы преодолеть гравитационное поле.
LynXzp
17.06.2016 13:48-1Выглядит правдоподобно, но если можно подскажите из чего можно сделать вывод что «для того чтобы покинуть черную дыру нужно бесконечное количество энергии». (К примеру то что нельзя разогнаться до скорости света… формула.) Если теория большая то хотя бы ее упоминуть.
arheops
17.06.2016 13:54+1Искривляется само пространство. С точки зрения «комара» это выглядит как «дерево растет быстрее 0.1мс»
LynXzp
17.06.2016 13:57Я думал что если ускорения нет (и изменения массы), то пространство уже искривлено до какой-то степени и его искривление статично. Или Земля тоже постоянно искривляет пространство? (И с какой скоростью нельзя улететь с Земли?)
arheops
17.06.2016 14:23+1Тут фишка в том, что вы не можете поднятся с черной дыры вертикально. Вернее поднятся вы можете, но при этом реальная траектория будет НЕ прямой а дугой. В результате вы закрутитесь вокруг дыры, но со скоростью меньше убегания и опять упадете вниз. У земли эффект тоже есть https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D1%80%D0%B5%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%8F. Предупреждая ваш следующий вопрос, если вы захотите коррекцией векторя тяги выровнять траекторию в прямую, вам понадобится бесконечное ускорение.
arheops
17.06.2016 14:28Предупреждая ваш следующий вопрос, если вы захотите коррекцией вектора тяги выровнять траекторию в прямую, вам понадобится бесконечное ускорение. А все потому, что пространство-время вокруг дыры «вогнутое», и расстояния внутри горизонта бесконечные. Ну или время течет с близкой к нулевой скоростью, что для вас одно и тоже — движение будет происходить до смерти вселенной. Вообще одновременно и расстояния близки к бесконечным и время близко к нулевому. Вобщемто вы приблизится к горизонту не сможете за разумное время.
HappyLynx
17.06.2016 15:57Вы приводите ссылку на чуть-чуть перпендикулярную обсуждаемому вопросу вещь.
Гравитационная замкнутость пространства состоит не в том, что геодезические дугообразны в пространстве, а в том, что они замкнуты в пространстве-времени, т.е. с любым конечным стартовым импульсом, даже если он направлен строго противоположно направлению на сингулярность, вы в какой-то момент времени перестанете от нее удаляться и начнете на нее падать.HappyLynx
17.06.2016 16:43+1Прошу прощения, перемудрил, естественно, получается замкнутость только в пространстве, без учета времени, вот только эта замкнутость не требует дугообразных петель, подойдут и геодезические в форме отрезка.
Hoshi
23.06.2016 21:52-1Ускорение есть. Как ускорение свободного падения на земле например, оно вас земле прижимает.
И, как мне кажется, искривление не статично, я себе это представляю как пространство стекающее внутрь массивного тела, что-то вроде воронки воды в раковине где поверхность воды это наше пространство. Получается на горизонте событий скорость стекания пространства в ЧД больше скорости света, т.е. нас просто смоет встречным потоком.
deviant_9
24.06.2016 19:21+1Искривление пространства-времени статично в том смысле, что существуют системы координат, в которых оно статично (в которых компоненты метрического тензора не зависят от временной координаты).
Но в то же время существует и намного более широкий класс СК, в которых оно нестатично. Например, для невращающихся незаряжённых чёрных дыр ваша фраза «пространство стекающее внутрь массивного тела» хорошо характеризует систему координат Риндлера (для несколлапсировавшего сферически симметричного объекта можно построить аналогичную СК, хотя в центре мы при этом получим координатную сингулярность из-за стекающего в точку пространства).
А в координатах Крускала-Секереша пространство никуда не «стекает», но сама дыра расширяется (её горизонт расширяется со скоростью света, а сингулярность ещё быстрее, асимптотически догоняя горизонт и не оставляя никаких шансов на выживание тому, кто оказался под ним).
Mii
17.06.2016 10:42-1Более забавно, что все это может происходить в воображении, а последствия вспышки жизнедеятельности, распространяющиеся со скоростью света…
HappyLynx
17.06.2016 11:11+3Проблема в том, что если вы находитесь за горизонтом событий черной дыры, то пространство искривлено так, что вы бесконечно далеко от горизонта событий, поэтому какую бы скорость вы не набрали относительно исходной системы координат — до горизонта вы не долетите.
Т.е. при падении в ЧД все, кроме ЧД, будет постепенно удаляться от вас, и в момент преодоления горизонта событий это все окажется на бесконечности.LynXzp
17.06.2016 13:51Опять же, выглядит правдоподобно, но если можно подскажите из чего можно сделать такой вывод. Выглядит не очевидным что пространство бесконечно искривлено (например массу ЧД можно увеличить, и искривление тоже увеличится). То что оно очень большое и стремится к бесконечности понятно, но не очевидно что оно не конечно. Если теория большая то хотя бы ее упоминуть.
upsilon
18.06.2016 00:19Если массу увеличить, то и горизонт событий отодвинется от центра, на остальные вопросы не смогу ответить, правда
kryvichh
20.06.2016 17:39-2Улететь из-за горизонта событий можно. Если разогнаться выше скорости света, либо обладать отрицательной массой. )
Если же скорость улетания корабля от дыры будет хоть немного ниже скорости света, то ее притяжение будет всасывать корабль со скоростью = с — скорость корабля. Я так понимаю.mayorovp
20.06.2016 19:09Отрицательная масса не поможет — ускорение свободного падения от нее не зависит.
CaptainFlint
20.06.2016 20:57-1Но зависит реакция этой массы на ускорение (будет двигаться в сторону, противоположную приложенной силе).
mayorovp
20.06.2016 21:14+2Ускорение — это производная скорости по времени, вторая производная по времени радиус-вектора. Масса в формулах кинематики вообще не участвует.
А вы путаете ускорение и силу. От массы зависит реакция тела на силу. Но в формуле для реакции тела на силу гравитации масса сокращается — и остается независящее от массы ускорение свободного падения.
CaptainFlint
20.06.2016 21:33+1Сорри, действительно, недосчитал. Это обычная масса будет стремиться улететь от минус-массы, а минусовая будет её догонять.
Gradiens
17.06.2016 14:30Поясните, почему вы считаете, что провалившееся за горизонт тело будет бесконечно далеко от горизонта и всего, что снаружи?
Я так понимаю, что в момент пересечения горизонта скорость падающего тела станет световой — это в системе отсчета, которая осталась снаружи. И это значит, что даже с бесконечным запасом топлива нельзя выбраться из черной дыры, т.к. для этого надо разогнаться до сверхсветовой скорости. Это понятно. Но расстояния останутся конечными.
В неинерциальной системе отчета, связанной с падающим телом, горизонт событий не будет чем-то сильно заментным. Как падали с ускорением- так и продолжаем падать. Как видели свет звезд (с красным смещением) — так и продолжаем видеть. Расстояния, опять-таки, останутся конечными.
Исхожу из сведений, описанных в книге Битва при черной дыреHappyLynx
17.06.2016 16:08> Как видели свет звезд (с красным смещением) — так и продолжаем видеть.
Нет, в момент прохождения через горизонт красное смещение станет, опять же, бесконечным.
Экстраполировать за бесконечность — дело не благодарное, поэтому мы и говорим, что за горизонтом черной дыры происходит нечто, что не поддается описанию. Т.е. там не просто «что-то странное» происходит, нет, весь наш мат аппарат говорит о том, что за горизонтом ЧД твориться нечто «Неописуемое», именно с большой буквы и в самом прямом смысле этого слова.Gradiens
17.06.2016 17:00+3С точки зрения внешнего наблюдателя — да, падающее тело будет замедлятся и сплющиваться, пока красное смещение не станет формально бесконечным.
Но с точки зрения падающего, в его системе отсчета, с его временем, момент пересечения горизонта может пройти незамеченным.
Так описано в Вики в разделе «Падение в астрофизическую чёрную дыру»
Так описано в вышеупомянутой Битве при черной дыре
Вот поэтому я и не понимаю причин, по которым падающий в ЧД наблюдатель будет считать, что расстояние от него до внешних объектов — бесконечно. Да, внешние объекты — недостижимы, но это не значит что они на бесконечности.
В конце концов, на границе видимой Вселенной находятся области, удаляющиеся от нас со скоростью, больше скорости света. Сейчас мы видим их прошлое, и в будущем потеряем способность их видеть. Но расстояние-то до них вполне конечно, хотя они для нас недостижимы.HappyLynx
17.06.2016 17:56+1Тут вопрос в том, что понимать под расстоянием. Я имею ввиду расстояние, которое необходимо преодолеть падающему в его системе отсчета, и вот оно будет бесконечно.
А так — да, если, допустим, мы возьмем часы, разместим их на земле и на каком-нибудь удаленном объекте, затем подождем, пока расширение пространства вынесет его из нашей сферы Хаббла, а затем, фиксируя некое конкретное показание на наших часах и на часах, находящихся на том объекте — мы можем посчитать конкретное расстояние между нами для данных фиксированных моментов времени. Но, фактически, время на этом объекте и время на Земле станут не связаны, как только он вылетит из нашей сферы Хаббла, наши временные конусы банально не будут пересекаться, и если мы будем задавать вопрос в стиле: «А какое сейчас расстояние между Землей и объектом?» — подразумевая под «сейчас» некий момент по земному времени, то этот вопрос не будет иметь смысла.
maxzhurkin
18.06.2016 10:51По поводу конечных расстояний предлагаю привести ваши расчёты.
Горизонт событий не является заметным объектом в любых системах отсчёта.
deviant_9
20.06.2016 21:36+1> Проблема в том, что если вы находитесь за горизонтом событий черной дыры, то пространство искривлено так, что вы бесконечно далеко от горизонта событий
Уточните, про какую систему координат идёт речь. Во всяком случае, скажем, в координатах Леметра (по сути — связанная с падающим наблюдателем СО) это далеко не так.
В СТО(!) есть очень неплохая, и в то же время простая модель чёрной дыры — координаты Риндлера (по сути — равноускоренная СО). Там тоже есть горизонт событий, он тоже притягивает к себе объекты (и чем ближе, тем сильнее, на самом горизонте сила притяжения бесконечна, как и в случае ЧД), и из-под него тоже нельзя выбраться; замедление время также имеется (оно неразрывно связано с гравитацией). В то же время в СО свободно падающего наблюдателя (благо для такого наблюдателя там существует инерциальная СО) не появляется ни бесконечных расстояний, ни даже сверхсветового движения. «Закреплённые» снаружи объекты ускоряются прочь от такого наблюдателя со скоростями, всего лишь стремящимися к скорости света — этого оказывается достаточно для того, чтобы он не имел возможности их догнать.
В ОТО, конечно, всё сложнее — у ЧД есть сингулярность, и горизонт событий у неё не плоский, а сферичный или эллипсоидный (если нет возмущений), и вообще пространство-время искривлено, но для понимания вопроса «почему нельзя выбраться из-под горизонта?» это непринципиально.mayorovp
20.06.2016 22:01«Закреплённые» снаружи объекты ускоряются прочь от такого наблюдателя со скоростями, всего лишь стремящимися к скорости света — этого оказывается достаточно для того, чтобы он не имел возможности их догнать.
Кстати, а почему? Вот я беру, ускоряюсь и пытаюсь догнать их… Почему у меня не получится догнать их в моей системе отсчета?deviant_9
20.06.2016 22:48+1Как всегда с СТО/ОТО — проще показать, чем объяснить:)
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/RindlerObserversCartesian.png
Вертикаль — время, горизонталь — пространство (и то, и другое — в некоторой инерциальной СО). Вся картинка (пространство-время) — по сути, график движения тел. Кривые линии — те самые закреплённые тела. Обратите внимание, их наклон с вертикалью всюду меньше 45 градусов (они движутся медленнее света), но чем дальшее вверх (в будущее), тем ближе к 45 градусам.
Прямая t=x (самая верхняя наклонная прямая то есть) — горизонт событий как бы чёрной дыры (на самом деле чёрной дыры здесь нет, пространство-время плоское, но в качестве простейшей модели сойдёт). (Прямая t=-x, продолжая аналогию с метрикой Шварцшильда — горизонт событий белой дыры.)
Если незадачливый путешественник ненароком оказался слева (ну или сверху, что то же самое) от горизонта событий, справа (снизу) он уже никогда не окажется — для этого его мировая линия должна образовать с вертикалью угол, больший 45 градусов (он должен разогнаться до скорости, большей скорости света). Но все «закреплённые» объекты во все моменты времени находятся справа от горизонта. Как следствие, с ними он уже никогда не повстречается (если только они не перестанут быть закреплёнными и не уйдут под горизонт сами).
knowy
17.06.2016 12:52Да на здоровье, единственная поправка — придется еще доказать неправоту Эйнштейна и немного пролететь со скоростью выше световой. А в остальном — почему бы и нет.
LynXzp
17.06.2016 13:11Я как раз говорил что не нужна скорость выше световой.
SCareAngel
20.06.2016 17:38+1Нет, не нужна. Но есть один нюанс. Для перелета через дерево комару нужно совершить такую же работу, что и человеку для перебрасывания камня (опустим сопротивление воздуха и прочее). То есть для убегания от ЧД из под горизонта событий нужно затратить энергию, которой хватило бы для разгона выше световой. Это невозможно.
LynXzp
20.06.2016 18:27+1О, спасибо, Ваши комментарии дают исчерпывающий ответ. (Плюс поставить не могу)
mayorovp
20.06.2016 19:12Спасибо. "Энергетическое" объяснение, как всегда, самое простое :)
Но теперь возникает другая проблема. Почему разные способы рассуждения дают разные ответы? Где-то в первом способе ошибка, но где?..
deviant_9
20.06.2016 21:48Для перелёта через горизонт событий нужна именно что скорость выше световой. Что прекрасно видно на диаграммах Пенроуза, например.
Чисто формально для этого тело должно иметь мнимую массу (энергия и импульс при этом конечные, просто pc>E).isden
21.06.2016 10:44> Чисто формально для этого тело должно иметь мнимую массу (энергия и импульс при этом конечные, просто pc>E).
Т.е., по сути, уметь искривлять пространство-время в «обратную» сторону, я правильно понимаю?deviant_9
21.06.2016 20:58Я в приближении пробного тела рассматриваю (то есть вкладом тела в искривление ПВ мы пренебрегаем).
Просто любое тело, движущееся быстрее света, по уравнениям СТО (в ОТО в этом плане ничего не меняется) должно иметь мнимую массу. Либо же масса, энергия и импульс такого тела должны быть равны нулю, что ещё более странный вариант.
Foolleren
21.06.2016 21:37-1Посмотрел всю ветку нашёл так сказать корень зла — один говорит про лифт другие говорят про рогатку, если на секунду представить содержимое ЧД как тоже самое, но только снаружи и границу провести только по радиусу Шварцвальда, то получим, что у рогатки есть ограничение на максимальную скорость, у лифта нет и лифтом можно выйти из чд, но с более менее реалистичными представлениями о содержимом ЧД, можно сказать что лифт внутри чд вы вырядили построите.
Всё как обычно, банальное недопонимание рождает стены текста.
Marwin
17.06.2016 13:34Если выражаться простым языком, то притяжение ЧД можно представить как ветер к ее центру, и комару придется махать крыльями быстрее скорости света, чтобы отталкиваться от него и двигаться наверх.
LynXzp
17.06.2016 13:45«Махать крыльями быстрее скорости света» это не понятно что имеется в виду.
Давайте представим другой мысленный эксперимент. допустим у нас имеется «почти черная дыра» (нейтронная звезда или не важно что) и для того чтобы его покинуть «нужна скорость 299 792 450 м/с» (на 8 м/с меньше скорости света). Но такая скорость нужна для «баллистического снаряда». И при этом данную звезду все равно можно покинуть кораблю при скорости даже 1 м/с (но долго). А тут вдруг скорость увеличили на 8 м/с и все нельзя?arheops
17.06.2016 14:41Вот посмотрите, чтоли формулу зависимости массы от скорости на википедии https://goo.gl/xgVbDg, там в знаменателе 1-1=0 получится при скорости равной скорости света. Тоесть это значит, что последние доли процента для разгона понадобится нереальная энергия.
black_semargl
17.06.2016 15:22Тут имелось в виду, что мы не разгоняемся до световой, а летим с постоянной скоростью 1км/с например.
Если не считать, сколько энергии уйдёт на гравитационные потери — такой метод «работоспособен»HappyLynx
17.06.2016 16:13Если вы летите хоть со скоростью в 1км/c, хоть 99.9999999с (тут важно, что скорость сколь угодно близка к с, но не с), перед вами до горизонта событий будет бесконечно много пространства, так как нули в знаменателях не зависят от вашей скорости.
black_semargl
17.06.2016 16:52Бесконечного пространства не может быть. Если формула его выдаёт — значит она в данном случае неприменима.
Sonatix
20.06.2016 17:38+1Тут, скорее всего, народ просто зациклился на скорости, а все дело в мощности двигателя которая позволит хотя бы находится на месте при таком сильном гравитационном воздействии.
asmm
20.06.2016 17:38-2Тут ошибочка в рассуждениях, комар преодолевает ускорение 9.8м/с, т.е. фактически создаёт тягу в 9.9м/с
Foolleren
Тут заговорили про антиматерию, и сплыл вопрос, а что будет если столкнутся две ЧД одна из материи другая из антиматерии?
SystemXFiles
Конечно wiki не лучший источник в данном случае, но вот
Короче, будет очень большая вспышка. Поди ярче всего, что ранее наблюдали.
Foolleren
Но ведь чёрная дыра не выпускает свет, и нейтрино.
SystemXFiles
Это да… Но черт его знает что будет дальше, ведь очень сомнительно, что такая бурная реакция окажется замкнута сама в себе за счет своей массы.
Интересно узнать у людей знающих, что выйдет. Сам слабо представляю что вообще будет происходить.
ofmetal
> Интересно узнать у людей знающих
Можно сабжануть.
mayorovp
Чем больше энергии — тем проще ей оказаться замкнутой в черной дыре из-за своей массы.
truggvy
Проблема в том, что мы ничего не знаем о судьбе материи после попадания в сингулярность. Формально нет никаких оснований считать, что материя остается такой же как и до этого, а не превращается в какую-то «чистую энергию» например. В этом случае не будет иметь никакого значения из чего была сформирована черная дыра. И пара «дыра + антидыра» будет сливаться так же как и пара «дыра + дыра».
LynXzp
Ну пока тогда и нет оснований считать обратного.
truggvy
Вот и я о том же. В вопросе дальнейшей судьбы чего бы то ни было после попадания в сингулярность пока что как в известной цитате из фильма «Карнавальная ночь»: «Есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе — это науке пока не известно!» :)
Alexmaru
ну, если представить, что таки каждая частица таки будет взаимодействовать, то есть шанс превратить чёрную дыру в суперновую.
Действительно, пора задать Итану вопрос: что будет, если взорвать внутри чёрной дыры динамит (и далее по энергии, вплоть до «положить кусочек антиматерии»). Собственно, если в какой-то локальной области от взрыва объём на какое-то мгновение увеличится…
но, в общем, это место для мечтаний, научную работу «гидродинамика и вихревое потоки чёрной дыры» вряд-ли выйдет в ближайшее время.
И да, столкновение границами потоков недоеденной материи должно устроить длительный и красочный феерверк.
arheops
А что может быть? Скорость убегания будет меньше скорости фотонов, потому мы ничего не увидим. К тому же, плотность черных дыр очень мала(меньше чем у нашей атмосферы в среднем).
slav1k
За счет массы. А масса превратится в энергию.
strlock
Нет, будет просто слияние. Даже, если допустить что за горизонтом событий произойдет вспышка, свет не попадет наружу.
zookko
Будет критическая ошибка системы и все люди проснуться в капсулах со шлемами на голове.
semmaxim
Для внешнего наблюдателя — ничего. Что бы ни произошло внутри чёрной дыры — там же внутри и останется.
Foolleren
Но ведь масса, то при аннигиляции частично превратится в энергию, а горизонт событий при этом может и приоткрыться.
upsilon
Думаю, что энергия трактуется ОТО как масса по знаменитой формуле, поэтому никакой разницы нет
HappyLynx
В точку, вскользь об этом говорится в следующем абзаце из статьи:
> Но обычная материя, оказавшаяся вблизи чёрной дыры, будет излучать волны, распадётся и потеряет импульс. Также она будет взаимодействовать с аккреционным диском, испытывать трение, терять импульс и увеличивать количество проглатываемой материи. Иначе говоря, даже когда обычная материя просто пролетает мимо, часть её съедается дырой
EnigMan
Знаменитую формулу E=mc^2 можно переписать и в другом виде: m=E/c^2 Энергия покинуть ЧД не может, следовательно и масса ее не уменьшится. Но лично я не уверен, что о материи под горизонтом ЧД и уж тем более в сингулярности можно рассуждать в категории материи и антиматерии, скорее всего она представляет из себя кварк-глюонный суп.
Mad__Max
Точно нельзя. Уже даже в обычных нейтронных звездах материя остается только в тонкой «корочке» на поверхности, а основная часть бесформенную кашу из нейтронов — ни атомов, ни атомных ядер, ни даже протонов и электронов уже не остается.
Даже в малых ЧД должны уже и нейтроны разрушаться. Разница будет разве в том, будут в этом «супе» оставшемся от материи/антиматерии преобладать кварки или антикварки.
black_semargl
Кварковые звёзды предположительно существуют, с плотностью где-то на порядок выше чем нейтронные.
Но издали отличить сложно.
Mad__Max
При плотности на порядок больше нейтронной кварковые звезды в свободном виде существовать просто не могут — при такой плотности радиус Шварцшильда получается больше радиуса занимаемого собственно кварковой материей. Т.е. для внешнего наблюдателя это будут полноценные черные дыры.
Я вообще кстати считаю, что внутри всех ЧД как раз что-то наподобие кварковых звезд и находится. Вместо абсурдных сингулярностей (если в теории лезут бесконечности типа бесконечных плотностей и энергий — это жирный намек, что что-то не впорядке с самой теорией. Как минимум то, что ее пытаются применить за пределами области ее применимости).
LynXzp
Не, ну почему бы тогда не быть кварковой звезде внутри черной дыры. Но в конце концов и кварки могут не выдержать (если это возможно).
black_semargl
Вроде, насчитали, что есть диапазон масс, когда радиус больше шварцшильдовского.
Плюс, при образовании, там должны быть очень нехилые потери энергии/массы.
Mad__Max
Ну теоретически еще могут быть, но этот диапазон получается очень узкий. Постепенно для них все меньше и меньше места остается.
Нейтронные звезды уже до 2 с хвостиком солнечных масс находили, с радиусами 10-20 км, при соответтсвующим радиусе Шварцшильда до 6 км.
Малые ЧД уже с 4-5 солнечных масс начинаются и с радиусов соответственно 12-15 км.
Чтобы кварковые могли существовать в «голом виде» (не спрятанном за горизонтом событий ЧД) их плотность должна быть всего максимум в несколько раз выше нейтронной материи в ядрах нейтронных звезд. При этом должно быть какое-то фундаментальное ограничение не позволяющее этой кварковой материи сжиматься дальше и оставаться в этом узком диапазоне плотностей — иначе схлопнутся в ЧД.
black_semargl
При увеличении плотности на порядок — диаметр падает всего лишь вдвое.
maxzhurkin
1. Всё, и энергия и материя обладает массой и при любых явлениях общая масса замкнутой системы не меняется
2. На горизонте событий нет пограничников с собаками, которые могут отвлечься, или не справиться, это несколько условная граница, пределы которой невозможно преодолеть во всех смыслах.
Foolleren
зато граница может пододвинуться,
maxzhurkin
Куда?
Foolleren
куда ни будь. это движение и является источником гравитационных волн.
maxzhurkin
А как же гравитационные волны от массивных объектов, не являющихся ЧД?
Foolleren
а я писал «только»?
maxzhurkin
Нет, но тогда в вашем комментарии нет смысла, поскольку практически любое движение любых материальных объектов вызывает гравитационные волны.
Foolleren
горизонт событий материальный?
maxzhurkin
Горизонт событий движется неотрывно вместе с ЧД, в этом смысле его можно рассматривать как поверхность ЧД (с ТЗ стороннего наблюдателя). И да, несмотря на то, что он в некотором смысле условен, он практически не может перемещаться со скоростью света.
Foolleren
почему это он не может перемещаться со скоростью выше скорости света? разве он передаёт информацию?
maxzhurkin
Потому, что он «прибит гвоздями» к ЧД
Фактически, горизонт событий, а точнее его участки, «перемещаются» со скоростью, превышающей световую только при слиянии ЧД, но делют это таким образом, что не могут освободить продукты вашего гипотетического взрыва (аннигиляции).
Простите!
Foolleren
мой гипотетический врыв гипотетически изменяет массу ЧД, что гипотетически может пододвинуть горизонт событий.
maxzhurkin
При увеличении массы размер области, ограниченной ГС, увеличивается. Это раз. Ваш гипотетический взрыв «произойдёт» уже после того, как ГС стабилизируется. Это два.
LynXzp
Согласен с тем что как выше заметили может двигаться быстрее скорости света при слиянии двух ЧД.
Но при этом почему-бы и не передавать с его помощью информацию. Допустим внутри ЧД кварковая звезда с массой вдвое большей необходимой для ЧД и разумное нечто которое время от времени взрывает [****]бомбы которые разделяют звезду на две части (ну так допустим). Тогда горизонт событий будет плясать под влиянием этих бомб и можно будет передать информацию. При этом не смотря на то что уже при повторном слиянии частей ЧД горизонт событий может двигаться быстрее, информацию быстро передать не получится :)
upd: извиняюсь не все прочитал.
Foolleren
но при слиянии двух ЧД масса таки уменьшается.
LynXzp
Вы серьезно? Быстро нагуглил два источника — масса при слиянии ЧД увеличивается.
«Сигнал LIGO о слиянии двух черных дыр был зарегистрирован 14 сентября 2015 года при помощи двух детекторов в Ливингстоне и в Хэнфорде, это событие получило обозначение GW150914. Произошло слияние двух черных дыр, масса которых составляла 36 и 29 масс Солнца, масса возникшей дыры — 62 солнечных.»
maxzhurkin
Общая масса уменьшается, но результат слияния больше каждой отдельно взятой ЧД
Foolleren
Точка на экране лучевого осциллографа движется быстрее скорости света, но не передаёт информацию.
maxzhurkin
Бритва Оккама по вашим аргументам плачет
Foolleren
бритва Оккамы типичный жадный алгоритм.
fireSparrow
«Что бы ни произошло внутри чёрной дыры — там же внутри и останется.»
Как в Вегасе?
custos
В чёрной дыре уже нет вещества, которое может аннигилировать. Что там внутри до конца не ясно, но судя по всему от вещества остаётся только одна характеристика — масса (энергия). Другими словами совершенно без разницы, что упало в ЧД, при их слиянии образуется другая большей массы и ничего более.
Foolleren
Из того что можно наблюдать у ЧД есть масса, заряд и вращение, остальное загадочно и даёт много почвы для размышлений.
custos
Заряд и момент импульса к аннигиляции не имеют отношения. А нейтроны — это последние частицы в процессе образования ЧД, которые могут аннигилировать. Очевидно, что они тоже разрушаются, иначе дальше нейтронной звезды дело бы не сдвинулось. Размышлять тут конечно есть о чём, но явно не в направлении, что слияние двух ЧД может привести к аннигиляции.
LynXzp
Еще кварки могут аннигилировать.
custos
Формально я конечно же не точно выразился, но в данном контексте в результате аннигиляции нужно получить гамма-кванты (фотоны), чтобы результат имел шанс быть заметным за пределами ЧД.
NeoCode
Если у ЧД есть кроме массы еще и заряд, то это как-то проявляется вне дыры? Т.е. можно ли измерениями отличить две ЧД с одинаковой массой но разными зарядами? Или заряд у нее только «теоретически», а снаружи его все равно никак не видно?
Foolleren
заряд может быть у дыры теоретически, на практике скорее всего быстро компенсируется засасывание заряда из окружающей среды, так что даже теоретики рассматривают вариант заряженной ЧД в последнюю очередь,
upsilon
Не эксперт по черным дырам, но приведу логическую цепочку.
Фотон не может выйти из черной дыры по определению черной дыры. Фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия. Без электомагнитного взаимодействия нет заряда, значит ответ отрицателен.
black_semargl
Если гравитация из ЧД выйти может — то почему электрическое поле не может?
EnigMan
Наверное потому, что с точки зрения ОТО гравитация это свойство пространства-времени, а не поле.
black_semargl
Что такое электрическое поле мы тоже не особо понимаем.
Может это тоже деформация пространства, только поперёк.
Gibboustooth
Что значит гравитация «выходит» из черной дыры? Гравитация — это геометрическое понятие, характеризующее кривизну пространства-времени.
mayorovp
Во-первых, электростатическое либо магнитостатическое поля не требуют фотонов для своего существования. Волны (=фотоны) рождаются только при их изменении.
Во-вторых, фотон может быть рожден пролетающим телом. Это излучать фотоны (кроме тепловых) ЧД не способна, принимать же их она может.
deviant_9
Электростатические/магнитостатические взаимодействия описывается как обмен виртуальными фотонами, которые могут лететь с любыми скоростями, в том числе большими или меньшими, чем c. (Точнее, так описываются вообще любые электромагнитные взаимодействия; обмен реальными фотонами («дальнее поле») — приближение, допустимое на больших расстояниях.)
Заряженная ЧД образуется путём коллапса заряженной же материи. По мере этого коллапса электростатическое поле снаружи принципиально не меняется. Просто если раньше силовые линии замыкались на заряженных частицах, то после коллапса они оказываются вмороженными в горизонт событий.
LynXzp
Интересно, ведь заряд (и масса) внутри черной дыры могут меняться без поглощения вещества(?). И если их можно измерить извне не означает что можно получать информацию из черной дыры?
ferocactus
Какие варианты кроме аннигиляции обеих?
mayorovp
Слияние в одну, конечно же.