Развенчан миф о черных дырах: они ничего не засасывают в себя и все превращают в спагетти

Черные дыры — это самые плотные объекты во Вселенной. Хотя эти объекты имеют огромную гравитационную силу, они не "засасывают" материю иначе, чем нейтронные звезды или обычные звезды. Все дело в гравитации. Несмотря на распространенное представление о черных дырах, засасывающих все из своего окружения, они работают совсем не так, пишет астрофизик Итан Сигел в статье для Big Think.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Черные дыры – что это?

Черные дыры представляют собой огромное количество массы, сконцентрированной в чрезвычайно малом объеме и их внутренности неизбежно сжимаются до сингулярностей, окруженных горизонтами событий, из которых ничто, даже свет, не может вырваться. Если какие-либо частицы материи или излучения когда-либо пересекают горизонт событий, то они просто упадут в центральную сингулярность, где они заставляют черную дыру расти, увеличивая ее общую массу.

Но существует представление о черных дырах, согласно которому они всасывают в себя любую окружающую материю. Но это неправда и полностью искажает то, как работает гравитация.

После появления черной дыры в результате смерти массивной звезды или столкновения двух нейтронных звезд, накопленная масса в концентрированном объеме пространства обретает горизонт событий. Выйти за его пределы невозможно, как только вы попадете внутрь, то обречены столкнуться с центральной сингулярностью.

Приливные силы: так действует Луна

Поскольку черные дыры являются очень массивными объектами, когда вы приближаетесь к одному из них, вы начинаете испытывать значительный набор приливных сил, действующих на вас. Примером приливных сил может служить взаимодействие Луны и Земли, когда Луна притягивает к себе океаны нашей планеты и возникают приливы. Но Луна оказывает разное гравитационное влияние на разные части Земли.

Чем ближе вы находитесь к объекту, тем больше становится сила гравитации, действующая на вас. На поверхности Земли вас будет притягивать к центру планеты со скоростью 9,8 м/с². Но на высоте примерно 6371 км, что равно половине диаметра Земли, сила гравитации, действующая на вас, будет составлять ¼ от той, что есть на поверхности нашей планеты, и вас будет тянуть вниз со скоростью 2,45 м/с².

Можно предположить, что чем ближе вы находитесь к массивному объекту, тем больше становятся приливные силы. Это верно, но приливные силы увеличиваются даже быстрее, чем сила гравитации. Если бы расстояние до Луны было в 2 раза меньше, приливные силы были бы не в четыре раза сильнее, а в восемь раз сильнее.

Спагетти возле черной дыры

Черные дыры способны создавать самые большие известные приливные силы во Вселенной. Поэтому, когда вы приблизитесь к черной дыре, то произойдет процесс спагеттификации вашего тела, то есть оно будет растянуто в тонкую, похожую на спагетти форму из-за экстремальных приливных сил. Это явление приводит к заблуждению, что черные дыры могут затянуть человека, ведь приливные силы и сила гравитации огромные.

Тем не менее, идея о том, что вас затянет в черную дыру, не основана на реальности. Это всего лишь заблуждение о том, как работают черные дыры. Действительно, каждая отдельная частица, из которой состоит любой объект вблизи черной дыры, будет подвержена влиянию гравитации черной дыры. Но эти частицы по-прежнему подчиняются тем же законам физики, что и все другие объекты, включая законы физики, возникающие из-за гравитационной кривизны пространства-времени, создаваемой общей теорией относительности.

В контексте общей теории относительности ткань пространства искривляется под действием всех форм энергии, включая массу. Также верно, что черные дыры предлагают самые большие концентрации массы, обнаруженные где-либо во Вселенной. Но плотность любой массы, которая искривляет пространство, совершенно не имеет значения для того, как искривляется пространство, пока объект находится вне физической массы, которая искривляет само пространство.

Если бы Солнце можно было заменить на белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру, имеющие ту же массу, что и Солнце, то гравитационная сила, действующая на Землю, ничем не отличалась бы от силы, оказываемой Солнцем. Только общая масса искривляет пространство вокруг вас, плотность практически не имеет к этому никакого отношения.

Имеет значение только масса

На расстоянии черная дыра ведет себя так же, как и любая другая масса во Вселенной. На больших расстояниях важна только масса. То, как эта масса распределена, оказывает незначительное влияние как на гравитационные, так и на приливные силы. Только когда вы приближаетесь к объекту очень близко, вы начинаете замечать, как черная дыра отличается от других масс, а также как кривизна пространства-времени отличается от предсказаний ньютоновской гравитации. Но даже вблизи черной дыры вы обнаружите, что черная дыра просто действует как аттрактор, где приближающиеся к ней объекты имеют те же самые орбиты, которые они обычно имели бы вокруг другой массы.

Из-за значительных приливных сил, возникающих при движении так близко к большой массе, приближающиеся объекты часто разрываются гравитацией черной дыры. Это называется событием приливного разрушения. Материя, которую разрывает черная дыра, часто оказывается собранной вокруг нее в аккреционном диске. Только часть материи из этого диска будет поглощена черной дырой, а все остальное будет выброшено в космос в виде струи.

Черные дыры ничего не засасывают внутрь

Черные дыры ничего не засасывают в себя. Это просто гравитация. То есть средняя гравитационная сила, действующая на центр масс объекта, и приливные силы, которые растягивают, сжимают и разрывают объект вокруг его центра масс.

Черные дыры поглощают материю, которая подвергается гравитационному падению из-за массы черной дыры, малого размера и близкого расположения падающего объекта к ее горизонту событий. Сочетание приливных сил и материи, уже присутствующей вокруг черной дыры, действительно может разорвать внешние объекты, но только часть разорванных частиц попадет в саму черную дыру.

Только небольшая часть материи, которая попадает внутрь горизонта событий, заставляет черные дыры расти и набирать общую массу. Если бы мы заменили любую массу во Вселенной черной дырой эквивалентной массы, и удалили бы весь материал вокруг нее, мы бы обнаружили, что очень мало массы в конечном итоге попало бы в черную дыру. Ничего из этого не было бы "засосано", и только базовое гравитационное падение привело бы к тому, что какая-либо масса вообще попала бы в черную дыру.

По сравнению с тем, что на самом деле попадает в горизонт событий в нашей физической реальности, предполагаемые эффекты "засасывания" нигде не обнаруживаются. Идея о том, что черные дыры засасывают что-либо, является, пожалуй, самым большим мифом о черных дырах из всех. Они растут из-за гравитации, и ничего больше. Во Вселенной этого более чем достаточно, чтобы объяснить все явления, которые мы наблюдаем.

Как уже писал Фокус, планеты без важной особенности Земли могут быть обитаемы. Даже миры, где нет тектоники литосферных плит, все же могут быть пригодными для жизни.