Розвінчано міф про чорні діри: вони нічого не засмоктують у себе і все перетворюють на спагеті

Чорні діри — це найщільніші об'єкти у Всесвіті. Хоча ці об'єкти мають величезну гравітаційну силу, вони не "засмоктують" матерію інакше, ніж нейтронні зірки або звичайні зірки. Уся справа в гравітації. Незважаючи на поширене уявлення про чорні діри, які засмоктують усе зі свого оточення, вони працюють зовсім не так, пише астрофізик Ітан Сігел у статті для Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Чорні діри — що це?

Чорні діри являють собою величезну кількість маси, сконцентрованої в надзвичайно малому об'ємі, і їхні нутрощі неминуче стискаються до сингулярностей, оточених горизонтами подій, з яких ніщо, навіть світло, не може вирватися. Якщо будь-які частинки матерії або випромінювання коли-небудь перетинають горизонт подій, то вони просто впадуть у центральну сингулярність, де вони змушують чорну діру рости, збільшуючи її загальну масу.

Але існує уявлення про чорні діри, згідно з яким вони всмоктують у себе будь-яку навколишню матерію. Але це неправда і повністю спотворює те, як працює гравітація.

Після появи чорної діри внаслідок смерті масивної зірки або зіткнення двох нейтронних зірок, накопичена маса в концентрованому об'ємі простору набуває горизонт подій. Вийти за його межі неможливо, щойно ви потрапите всередину, то приречені зіткнутися з центральною сингулярністю.

Приливні сили: так діє Місяць

Оскільки чорні діри є дуже масивними об'єктами, коли ви наближаєтеся до одного з них, ви починаєте відчувати значний набір приливних сил, що діють на вас. Прикладом приливних сил може слугувати взаємодія Місяця і Землі, коли Місяць притягує до себе океани нашої планети і виникають припливи. Але Місяць чинить різний гравітаційний вплив на різні частини Землі.

Що ближче ви перебуваєте до об'єкта, то більшою стає сила гравітації, що діє на вас. На поверхні Землі вас притягуватиме до центру планети зі швидкістю 9,8 м/с². Але на висоті приблизно 6371 км, що дорівнює половині діаметра Землі, сила гравітації, що діє на вас, становитиме ¼ від тієї, що є на поверхні нашої планети, і вас тягнутиме вниз зі швидкістю 2,45 м/с².

Можна припустити, що чим ближче ви перебуваєте до масивного об'єкта, тим більшими стають приливні сили. Це правильно, але приливні сили збільшуються навіть швидше, ніж сила гравітації. Якби відстань до Місяця була в 2 рази меншою, приливні сили були б не вчетверо сильнішими, а у вісім разів сильнішими.

Спагеті біля чорної діри

Чорні діри здатні створювати найбільші відомі приливні сили у Всесвіті. Тож, коли ви наблизитеся до чорної діри, то відбудеться процес спагеттифікації вашого тіла, тобто воно буде розтягнуте в тонку, схожу на спагеті форму через екстремальні приливні сили. Це явище призводить до хибної думки, що чорні діри можуть затягнути людину, адже приливні сили і сила гравітації величезні.

Проте ідея про те, що вас затягне в чорну діру, не ґрунтується на реальності. Це всього лише помилка про те, як працюють чорні діри. Дійсно, кожна окрема частинка, з якої складається будь-який об'єкт поблизу чорної діри, буде схильна до впливу гравітації чорної діри. Але ці частинки, як і раніше, підкоряються тим самим законам фізики, що й усі інші об'єкти, включно із законами фізики, що виникають через гравітаційну кривизну простору-часу, створювану загальною теорією відносності.

У контексті загальної теорії відносності тканина простору викривляється під дією всіх форм енергії, включно з масою. Також вірно, що чорні діри пропонують найбільші концентрації маси, виявлені де-небудь у Всесвіті. Але щільність будь-якої маси, яка викривляє простір, абсолютно не має значення для того, як викривляється простір, поки об'єкт перебуває поза фізичною масою, що викривляє сам простір.

Якби Сонце можна було замінити на білий карлик, нейтронну зірку або чорну діру, що мають ту саму масу, що й Сонце, то гравітаційна сила, що діє на Землю, нічим не відрізнялася б від сили, яку чинить Сонце. Тільки загальна маса викривляє простір навколо вас, щільність практично не має до цього жодного стосунку.

Має значення тільки маса

На відстані чорна діра поводиться так само, як і будь-яка інша маса у Всесвіті. На великих відстанях важлива тільки маса. Те, як ця маса розподілена, має незначний вплив як на гравітаційні, так і на приливні сили. Тільки коли ви наближаєтеся до об'єкта дуже близько, ви починаєте помічати, як чорна діра відрізняється від інших мас, а також як кривизна простору-часу відрізняється від передбачень ньютонівської гравітації. Але навіть поблизу чорної діри ви виявите, що чорна діра просто діє як атрактор, де об'єкти, що наближаються до неї, мають ті ж самі орбіти, які вони зазвичай мали б навколо іншої маси.

Через значні приливні сили, що виникають під час руху так близько до великої маси, об'єкти, що наближаються, часто розриваються гравітацією чорної діри. Це називається подією приливного руйнування. Матерія, яку розриває чорна діра, часто виявляється зібраною навколо неї в аккреційному диску. Тільки частина матерії з цього диска буде поглинута чорною дірою, а все інше буде викинуто в космос у вигляді струменя.

Чорні діри нічого не засмоктують усередину

Чорні діри нічого не засмоктують у себе. Це просто гравітація. Тобто середня гравітаційна сила, що діє на центр мас об'єкта, і приливні сили, які розтягують, стискають і розривають об'єкт навколо його центру мас.

Чорні діри поглинають матерію, яка піддається гравітаційному падінню через масу чорної діри, малий розмір і близьке розташування падаючого об'єкта до її горизонту подій. Поєднання приливних сил і матерії, вже присутньої навколо чорної діри, справді може розірвати зовнішні об'єкти, але тільки частина розірваних частинок потрапить у саму чорну діру.

Тільки невелика частина матерії, яка потрапляє всередину горизонту подій, змушує чорні діри рости і набирати загальну масу. Якби ми замінили будь-яку масу у Всесвіті чорною дірою еквівалентної маси, і видалили б увесь матеріал навколо неї, ми б виявили, що дуже мало маси зрештою потрапило б у чорну діру. Нічого з цього не було б "засмоктано", і тільки базове гравітаційне падіння призвело б до того, що будь-яка маса взагалі потрапила б у чорну діру.

Порівняно з тим, що насправді потрапляє в горизонт подій у нашій фізичній реальності, передбачувані ефекти "засмоктування" ніде не виявляються. Ідея про те, що чорні діри засмоктують що-небудь, є, мабуть, найбільшим міфом про чорні діри з усіх. Вони ростуть через гравітацію, і нічого більше. У Всесвіті цього більш ніж достатньо, щоб пояснити всі явища, які ми спостерігаємо.

Як уже писав Фокус, планети без важливої особливості Землі можуть бути населені. Навіть світи, де немає тектоніки літосферних плит, все ж можуть бути придатними для життя.