Коли чорні діри стають нестабільними?

Є кілька способів створити чорну діру, від колапсу ядра наднової до злиття нейтронних зірок з колапсом величезної кількості речовини. Якщо брати нижня межа, чорні діри можуть мати 2,5 — 3 маси Сонця, але на верхній межі надмасивні чорні діри можуть перевищувати масу в 10 мільярдів сонячних. Вони, як правило, знаходяться в центрах галактик. Наскільки вони стабільні? Яка чорна діра вичерпається першій: велика і ненажерлива чи маленька?

Існує критичний розмір для стабільності чорної діри? Чорна діра масою 1012 кілограмів може бути стабільною кілька мільярдів років. Але чорна діра в діапазоні маси 105 може вибухнути за секунду і точно не буде стабільною. Де проходить золота середина, при якій притік матерії буде дорівнює випромінювання Хокінга?

Стабільність чорних дір

Перше, з чого потрібно почати, це стабільність самої чорної діри. У будь-якого іншого об’єкта у Всесвіті, астрофізичного чи іншого, існують сили, що утримують його разом проти Всесвіту, яка намагається його розірвати. Атом водню представляє собою міцну структуру; єдиний ультрафіолетовий фотон може знищити її, ионизировав електрон. Для руйнування атомного ядра потрібна більш високоенергетична частка зразок космічного променя, прискореного протона або гамма-променевого фотона.

Але у великих структур на зразок планет, зірок або навіть галактик, гравітаційні сили, які утримують їх, величезні. Як правило, для розриву такої мегаструктури потрібна або термоядерна реакція, або неймовірно сильний вплив гравітації ззовні — наприклад, від проходить повз зірки, чорної діри чи галактики.

У випадку з чорними дірами, втім, все не так. Маса чорної діри, замість того, щоб розподілятися за обсягом, стискається в сингулярність. У невращающейся чорної діри це одна точка з нульовою розмірністю. У обертається чорної діри ненабагато краще: нескінченно тонка, одномірне кільце.

Крім того, всі вміст маси-енергії у чорній дирі знаходиться в межах горизонту подій. Чорні діри — це єдині об’єкти у Всесвіті, у яких є горизонт подій: межа, подолавши яку, неможливо повернутися. Ніяке прискорення, а отже, ніяка сила не зможе витягнути матерію, масу або енергію з горизонту подій за його межі.

Читайте також  Як тобі таке, Ілон Маск: BMW і Porsche розробили систему, заряджаючуакумулятори електромобіля всього за 3 хвилини

Це може означати, що чорні діри, сформувавшись будь-яким способом з можливих, можуть тільки зростати і ніколи не будуть знищені. І вони ростуть, невблаганно і безупинно. Ми спостерігаємо всілякі явища у Всесвіті, такі як:

  • квазари;
  • блазары;
  • активні ядра галактик;
  • микроквазары;
  • зірки, не випускають ніякого світла;
  • рентгенівські і радиовсплески з галактичних центрів;

які приводять нас до чорних дірок. Визначаючи їх маси, ми намагаємося дізнатися та фізичні розміри їх горизонтів подій. Все, що стикається з ним, перетинає його або навіть зачіпає, неминуче впаде всередину. І потім, завдяки збереженню енергії, збільшиться і маса чорної діри.

Цей процес відбувається з кожною чорною дірою, відомої нам. Матеріал з інших зірок, космічний пил, міжзоряна речовина, газові хмари, навіть випромінювання і нейтрино, що залишилися від Великого Вибуху — все відправляється туди. Будь-яка матерія, стикаючись з чорною дірою, збільшує її масу. Зростання чорних дірок залежить від щільності речовини і енергії, що оточує чорну діру; монстр в центрі нашого Молочного Шляху росте на швидкості 1 сонячна маса в 3000 років; чорна діра в центрі галактики Сомбреро росте на швидкості 1 сонячна маса в 20 років.

Чим більше і важче ваша чорна діра, в середньому, тим швидше вона росте, в залежності від зустрічається матеріалу. З часом темпи її зростання сповільнюються, але оскільки Всесвіту всього близько 13,8 мільярда років, чорні діри прекрасно ростуть.

З іншого боку, чорні діри не просто зростають з часом; є також процес їх випаровування: випромінювання Хокінга. Пов’язано це з тим, що простір сильно викривлений поблизу горизонту подій, але розпрямляється при видаленні. Якщо перебувати на великій відстані, можна побачити незначне випромінювання, що випускається з викривленою області поруч з горизонтом подій, пов’язаної з тим, що квантовий вакуум має різні властивості в різних криволінійних областях простору.

Читайте також  Для PlayStation 4 розробляється перша гра на технології блокчейн

Кінцевим результатом є те, що чорні діри випромінюють теплове випромінювання чорного тіла (в основному у вигляді фотонів) в усіх напрямах навколо себе, в обсязі простору, яке в основному укладає близько десяти радіусів Шварцшильда в місці розташування чорної діри. І може здатися дивним, але чим менше чорна діра, тим швидше вона випаровується.

Випромінювання Хокінга — неймовірно повільний процес, при якому чорна діра з масою нашого Сонця випарується через 1064 років; діра в центрі Чумацького Шляху — через 1087 років, а самі масивні у Всесвіті — через 10100 років. Щоб розрахувати час випаровування чорної діри простою формулою, потрібно взяти часові рамки нашого Сонця і помножити на (маса чорної діри/маса Сонця)3.

З чого випливає, що чорна діра з масою Землі буде жити 1047 років; чорна діра з масою Великої піраміди в Гізі (6 мільйонів тонн) — близько тисячі років; з масою Емпайр-Стейт-Білдінг — близько місяця; з масою звичайної людини — пикосекунду. Чим менше маса, тим швидше випаровується чорна діра.

Наскільки нам відомо, Всесвіт міг містити чорні діри неймовірно різних розмірів. Якщо б вона була наповнена легкими чорними дірами — до мільярда тонн — всі вони випарувалися б до сьогоднішнього дня Немає ніяких даних про те, що існують чорні діри з масою між цими легкими і тими, що народжуються в процесі злиття нейтронних зірок — в теорії, вони мають масу в 2,5 сонячних. Вище цих меж рентгенівські дослідження вказують на існування чорних дір в діапазоні 10-20 сонячних мас; LIGO показала чорну дірку від 8 до 62 сонячних мас; також знаходять надмасивні чорні діри всюди у Всесвіті.

Сьогодні всі існуючі чорні діри набирають матерію швидше, ніж втрачають внаслідок випромінювання Хокінга. Чорна діра сонячної маси втрачає близько 10-28 Дж енергії кожну секунду. Але якщо врахувати, що:

  • навіть у одного фотона реліктового випромінювання в мільйон разів більше енергії;
  • 411 таких фотонів на кубічний сантиметр простору залишилося після Великого Вибуху;
  • вони рухаються зі швидкістю світла, стикаючись 10 трильйонів разів в секунду в кожному кубічному сантиметрі;
Читайте також  Штучна гравітація перестає бути фантастикою

навіть ізольована чорна діра в глибинах міжгалактичного простору буде чекати, поки Всесвіт не подорослішає до 1020 років — в мільярд разів більше її поточного віку — перш ніж швидкість зростання чорної діри впаде нижче темпу випромінювання Хокінга.

Але давайте зіграємо в гру. Припустимо, ви живете в міжгалактичному просторі, далеко від звичайної матерії і темної матерії, далеко від усіх космічних променів, зоряного випромінювання і нейтрино, і у вас залишилися тільки фотони від Великого Вибуху, з яким можна поговорити. Наскільки великою має бути ваша чорна діра, щоб швидкість випаровування (випромінювання Хокінга) і поглинання фотонів вашої чорною дірою (зростання) врівноважили один одного?

Відповідь виходить в районі 1023 кг, тобто приблизно з масу планети Меркурій. Якби Меркурій був чорною діркою, він був би пів міліметра в діаметрі і випромінював би приблизно в 100 трильйонів разів швидше, ніж чорна діра сонячної маси. Саме з такою масою в нашій Всесвіту чорна діра поглинала б стільки ж мікрохвильового випромінювання, скільки втрачала в процесі випромінювання Хокінга.

Але якщо вам потрібна реалістична чорна діра, ви не зможете ізолювати її від решти матерії у Всесвіті. Чорні діри, навіть будучи викинутими з галактик, все ще пролітають через міжгалактичну середу, стикаючись з космічними променями, світлом зірок, нейтрино, темною матерією і всілякими частками, масивними і безмассовыми. Космічний мікрохвильовий фон неможливо уникнути, куди б ви не пішли. Чорні діри постійно поглинають матерію та енергію і ростуть в масі і розмірах. Так, вони також випромінюють енергію, але щоб всі існуючі в нашій Всесвіту чорні дірки почали виснажуватися швидше, ніж ростуть, повинно пройти близько 100 квінтильйонів років.

А на остаточне випаровування піде ще більше.

Чорні діри переживуть всіх, згодні?

Степан Лютий

Обожнюю технології в сучасному світі. Хоча частенько і замислююся над тим, як далеко вони нас заведуть. Не те, щоб я прям і знаюся на ядрах, пікселях, коллайдерах і інших парсеках. Просто приходжу в захват від того, що може в творчому пориві вигадати людський розум.

You may also like...

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *