Содержание
Парадоксы сверхмассивных черных дыр | Астрономические мероприятия, наблюдения звездного неба в Крыму!
1. Мы привыкли по отношению к черным дырам употреблять прилагательное «сверхплотная». А, оказывается, средняя плотность сверхмассивной чёрной дыры (вычисляемая путём деления общей массы чёрной дыры на объём ее сферы Шварцшильда) может быть даже меньше плотности комнатного воздуха! Не верите? Смотрите расчеты
Расчет средней плотности черной дыры
Рассмотрим подробнее первый миф. Математически легко рассчитать среднюю плотность черной дыры (ЧД), если знать ее массу и принять ее радиус равным радиусу Шварцшильда. Допустим, у нас есть сверхмассивная черная дыра массой в миллиард солнечных масс. Вполне реальный пример, существуют даже более массивные черные дыры. Выразим в килограммах: М=109*2*1030=2*1039кг.
Плотность = масса/объем
Дело за объемом. Черная дыра в простейшем случае — шар.
Объем шара = (4/3)*Пи*R3.
Какой же размер дыры ?
Размер вычисляем из формулы второй космической скорости: R=(2*G*М)/c2
Все цифры известны, подставляем в формулу:
R= (2*6.67*10-11*2*1039)/9*1016
Отсюда R=3*1012м
Переходим к расчету объема. Считаем примерно — Пи с тройкой нагло сокращаются.
Объем=4*R3 = 4*27*1036 = 108*1036 м3
Теперь считаю плотность. Плотность = масса/объем.
Масса=2*1039кг.
Объем = 108*1036м3
В результате, средняя плотность черной дыры в данном случае равна примерно 18.5 килограмм на метр кубический — для массы черной дыры в миллиард солнечных масс. Это всего на порядок выше плотности воздуха и гораздо меньше плотности воды. Можно аналогичным образом посчитать плотности для черных дыр любой массы.
Интересно, что наблюдается следующая нелинейная зависимость: чем тяжелеее черная дыра, тем она менее плотная.
27т), а плотность обратно пропорциональна радиусу в кубе. Отсюда следует, что при увеличении массы средняя плотность ЧД быстро падает.
Отсюда следует важный вывод, что черную дыру можно получить не только сжатием вещества, но и путем накопления большого количества материала в определенном объеме.
P.S. Радиус Шварцшильда — радиус простейшей невращающейся ЧД без заряда и вращения.
***
2. Включение маршевых двигателей, красиво показанное в фильмах, увеличивает время падения на черную дыру, то есть замедляет падение. На самом деле это не так.
Обоснование.
Чтобы просуществовать максимально долгое время, космический корабль должен осуществить следующий маневр. При падении в черную дыру нужно включить на полную мощность двигатель при подлете к горизонту так, чтобы почти остановиться у самого горизонта. После этого необходимо выключить двигатель и дать кораблю свободно падать от горизонта до сингулярности. Время такого падения и будет максимальным временем существования.
Любые попытки космонавтов как-то затормозить с помощью включения двигателя падение внутрь черной дыры или попытки направить корабль в орбитальное движение приведут только к тому, что корабль упадет в сингулярность за более короткий промежуток времени (по часам космонавта).
Как же так может быть? Хорошо, согласимся, что работа двигателей не в состоянии побороть огромную силу тяготения внутри черной дыры и остановить ракету, но все же торможение должно хоть немного замедлить падение, сделать его более продолжительным? И уж тем более это торможение не ускорит падения!
И тем не менее внутри черной дыры это возможно. Дело в том, что, включая двигатели, космонавт разгоняет свою ракету (назовем ее А} по отношению к свободно падающей ракете с выключенными двигателями (ракета Б). Но на разгоняющейся ракете время течет медленнее. А внутри черной дыры этот фактор оказывается решающим. Ракета А все равно падает в сингулярность. Но из-за того, что часы на ней шли существенно медленнее с точки зрения ракеты Б, то и весь процесс падения занял по часам А меньше времени.
Идя медленнее, часы А “нати-кают” меньше секунд (или долей секунды), то есть с точки зрения ракеты А падение было менее продолжительным!
Напомню, что эта ситуация реальна именно для сверхмассивной черной дыры, поскольку у горизонта событий черной дыры звездной массы разность гравитационных потенциалов для двух соседних точек будет значительно превышать предел прочности любого реального тела.
***
3. Ускорение свободного падения (один из показателей гравитации) на горизонте событий сверхмассивной черной дыры значительно БОЛЬШЕ такового на горизонте событий черной дыры звездной массы. Это тоже заблуждение.
Расчет:
Ускорение свободного падения считается по известной формуле: g=(G*M)/R2. Где G — гравитационная постоянная, M — масса черной дыры, R — радиус горизонта событий.
а) Считаем для ЧД с массой Солнца. Известно, что ее горизонт событий равен 3000 м, массу тоже можем взять из энциклопедии 2*1030 кг, G=6.
67*10-11. В результате g=15*109 м/с2
б) Считаем для сверхмассивной ЧД с массой 10 млрд солнечных. Ее горизонт событий (который линейно зависит от массы) равен 3*1013 м, масса соответственно 2*1040 кг, G=6.67*10-11. В результате g=1500 м/с2
в) И для сравнения выполним расчет для нашего Солнца. Его радиус равен 7*108 м, масса 2*1030 кг, G=6.67*10-11. В результате g=272 м/с2
Вывод: Ускорение свободного падения на горизонте сверхмассивных черных дыр сравнимо с ускорением на поверхности Солнца.
***
4. Мы не можем жить в черной дыре — нас сразу разорвет и засосет. Кто разорвет и куда засосет? 🙂 Можем, если дыра достаточно большая, например размером со Вселенную!
Расчет:
Размер черной дыры (с небольшой погрешностью можно сказать — он же радиус горизонта событий, радиус Шварцшильда, гравитационный радиус) считается по формуле: R=2*G*М/c2.
Подставляем значения констант, получаем R=М(кг)*1,48*10-27 (м). То есть радиус ЧД напрямую, линейно, зависит от ее массы, и только от нее! Зная массу, получаем размер горизонта ЧД. То зная размер и массу любого тела мы можем проверить является ли тело черной дырой: если его размер больше горизонта событий, то не является, меньше — является.
Подставляем, например, Землю: радиус горизонта около 1см, значит оно ЧД не является. Солнце: радиус горизонта 3км, не является. Что же будет если мы будем брать все большие по размеру тела?
Дело в том, что при сохранении постоянной плотности масса тела напрямую зависит от его объема. А объем пропорционален кубу радиуса тела (V шара = (4/3)*Пи*R3).
То есть когда мы берем, скажем, Солнце и добавляем ему размер в два раза, то его масса вырастет примерно в 8 раз, а при увеличении массы в 8 раз радиус его горизонта событий тоже вырастет в 8 раз. То есть для такого объекта радиус горизонта событий становится в 4 раза ближе к его настоящему размеру.
Получается, что при подборе все большего и большего объекта может наступить такой момент, когда радиус горизонта событий догонит его настоящий радиус и объект станет черной дырой!
Самый крупный объект, известный человеку — это Вселенная. Размер ее оценивается в 46-47 млрд св. лет (около 1026 м), а масса 1053-1054 кг. Подставляем в формулу грав-радиуса (в начале этой главы) и получаем ответ 1027 м. Что больше принятого на сегодня размера Вселенной! => Вывод
МЫ ЖИВЕМ В ЧЕРНОЙ ДЫРЕ!
Литература:
1. o8ode.ru/article/timy/coza/black/vnutri_4ernoi_dyry.htm
2. en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe
3. ru.wikipedia.org/wiki/Космология_чёрной_дыры
Назаров С.В.
Астробиблиотека
Словарик терминов
Если Вас заинтересовала эта тема и Вы хотите самостоятельно во всем разобраться, рекомендуем посетить Астроканикулы!
Астрономы МГУ узнали, сколько весит черная дыра в системе SS433
Объект SS433 – массивная звезда, которая весит 12 Солнц, в паре с невидимым компонентом – черной дырой.
Её масса составляет более семи масс Солнца.
Эта тесная двойная система была открыта в конце 1970-х гг.
Приливные силы черной дыры срывают вещество с оптической звезды, и оно закручивается в диск вокруг черной дыры. Из центральных областей диска вокруг черной дыры вырываются узкие релятивистские струи – джеты – со скоростью в четверть световой. Мощность джетов в полмиллиона раз превышает светимость нашего Солнца.
Релятивиистские струи (джеты) — струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики. Первым такую струю обнаружил астроном Гебер Кёртис в 1918 году
На протяжении 40 лет астрофизики спорили о природе невидимого компактного объекта в SS433. Косвенные данные указывали, что наиболее вероятно – это черная дыра.
Объект SS 433 в представлении художника
Наблюдения на телескопах Кавказской горной обсерватории МГУ позволили открыть эллиптичность орбиты и увеличение орбитального периода в этой сложной системе.
Это позволило однозначно установить нижний предел масс невидимого компонента примерно в 7 масс Солнца, окончательно подтвердив наличие черной дыры – остатка эволюции массивной звезды, которая изначально находилась в этой двойной системе.
Черная дыра – это область в космосе, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.
«Масса невидимого объекта оказалась не менее 7 масс Солнца, что надежно подтверждает его природу как черной дыры. Наблюдения проводились на 2.5-м и 60-см телескопах Кавказской горной обсерватории. Мы продолжаем наблюдать этот уникальный галактический объект и надеемся на новые открытия», – рассказал научный руководитель Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ академик Анатолий Черепащук.
Результаты опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters. Работа выполнена в рамках научно-образовательной школы МГУ «Фундаментальные и прикладные исследования космоса».
- #Космос
Источник: Пресс-служба МГУ Фото: NASA
Вам может быть интересно
10 августа
В Новосибирске состоится IX Международный форум технологического развития «Технопром-2022»
8 августа
Победитель «Лидеров России» предлагает создать команду ученых для интенсивного импортозамещения в химической промышленности
5 августа
Экскурсии «Наука рядом»: в июле школьники узнали, как создают вакцины, увидели строительство судов и сыграли роботами в лазертаг
Сколько места занимает черная дыра?
Черные дыры чаще всего обсуждаются с точки зрения их массы, но какой объем на самом деле имеют эти здоровенные невидимые объекты?
От
Кейтлин Буонджорно |
Опубликовано: понедельник, 27 апреля 2020 г.
ПОХОЖИЕ ТЕМЫ:
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
Художественная иллюстрация сверхмассивной черной дыры.
НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт
В центре Млечного Пути скрывается гигантская черная дыра, масса которой в несколько миллионов раз превышает массу Солнца. Как и все черные дыры, этот сверхмассивный монстр по имени Стрелец А* пожирает все, что падает слишком близко, включая свет. Однако потребление материала — это лишь один из способов, которым эти монстры вырастают до поистине астрономических размеров, достигая умопомрачительного веса. Хотя астрономы часто говорят о черных дырах как о гигантских объектах, важно помнить, что они обычно имеют в виду массу объекта, а не его физический размер.
Итак, один очевидный вопрос: сколько места занимают различные типы черных дыр?
Весовые категории черных дыр
Стандартная черная дыра, известная как черная дыра звездной массы, образуется, когда массивная звезда (более 8 солнечных масс) достигает конца своей жизни.
Израсходовав последнее из оставшегося ядерного топлива, неоспоримая гравитация звезды заставляет ее быстро коллапсировать, прежде чем отскочить наружу в эпическом взрыве, известном как сверхновая. То, что останется, в зависимости от массы звезды, будет либо нейтронной звездой, либо черной дырой. Масса этих черных дыр может составлять от пары до нескольких десятков масс Солнца.
Однако происхождение сверхмассивных черных дыр, таких как Стрелец A*, масса которых может составлять от миллионов до миллиардов масс Солнца, остается неизвестным. Астрономы знают, что их экстремальные размеры и масса, по-видимому, связаны с галактиками, которые они называют домом, причем самые большие сверхмассивные черные дыры находятся в центрах самых больших галактик.
Этот ряд свидетельств — а также недавние свидетельства теоретического класса черных дыр среднего размера, называемых черными дырами промежуточной массы (масса которых варьируется от сотен до миллиона солнечных), — кажется, предполагает, что сверхмассивные черные дыры могут получить свое вес после того, как бесчисленные черные дыры звездной массы и промежуточной массы сливаются вместе в течение эонов.
И хотя ясно, что разные типы черных дыр могут сильно различаться по массе, менее очевидно, насколько они различаются по размеру.
Что, если бы Земля и Солнце были черными дырами?
Чтобы исследовать размеры черных дыр, давайте сначала рассмотрим два объекта, с которыми мы более знакомы: Земля и Солнце.
Земля имеет массу около 6×10 24 килограммов. И хотя это больше, чем любой человек может себе представить, когда дело доходит до черных дыр, Земля ничтожна.
Чтобы создать черную дыру, вам нужна масса, достаточная для того, чтобы гравитация объекта преодолела любые внешние силы, препятствующие его полному коллапсу. Вот почему не существует известных черных дыр, таких же легких, как Земля, — у них просто не будет достаточно массы, чтобы полностью разрушиться. (Тем не менее, некоторые ученые считают, что может существовать класс древних первичных черных дыр, образовавшихся в первые несколько мгновений после Большого взрыва.
Эти теоретические черные дыры могут варьироваться от менее массивных, чем скрепка, до масс, в десятки тысяч раз превышающих массу Солнца. .)
Считается, что в центре черной дыры находится бесконечный гравитационный колодец в ткани пространства-времени, называемый гравитационной сингулярностью. Эта сингулярность бесконечно плотна, и все, что достигает ее, остается там навсегда. Внешний край черной дыры, называемый горизонтом событий, — это граница, за которой ничто не может избежать гравитационного притяжения черной дыры, включая свет. Начало этого горизонта событий зависит от массы черной дыры и впервые было рассчитано немецким астрономом Карлом Шварцшильдом в 1919 году.16.
Используя расчет радиуса Шварцшильда, черная дыра размером с Землю будет иметь радиус менее одного дюйма, что делает ее размером примерно с мячик для пинг-понга. Солнце, с другой стороны, будет иметь радиус чуть менее двух миль.
С помощью телескопа «Горизонт событий» ученые получили изображение черной дыры в центре галактики M87, очерченное излучением горячего газа, вращающегося вокруг нее под действием сильной гравитации вблизи ее горизонта событий.
Сотрудничество с Event Horizon Telescope и др.
Какие самые маленькие из известных черных дыр?
Черные дыры, как известно, трудно найти ученым. Это связано с тем, что, в отличие от звезд, свет, попадающий в пределы горизонта событий черной дыры, никогда не будет виден. Однако иногда у черной дыры есть аккреционный диск — ореол материала вокруг черной дыры, который светится, когда он яростно стирается. Свет, излучаемый такими аккреционными дисками, позволяет ученым находить эти невидимые объекты. Астрономы также обнаруживают черные дыры, замечая, как они влияют на другие объекты, включая звезды. Например, ученые открыли Стрелец A* после того, как заметили странное поведение семи звезд, вращающихся вокруг него.
С помощью этих методов ученые за прошедшие годы нашли множество кандидатов в черные дыры, в том числе самую маленькую из известных черных дыр, расположенную в двойной системе под названием GRO J1655-40. Видимая звезда-компаньон в этой системе сбрасывает газ на черную дыру, производя достаточно энергии для питания микроквазара.
Квазары развиваются в чрезвычайно ярких активных ядрах галактик, которые являются центрами галактик, в которых находится сверхмассивная черная дыра, окруженная ярким и энергичным аккреционным диском. По оценкам, черная дыра в GRO J1655-40 весит примерно в 5,4 раза больше массы Солнца, что дает ее радиус около 10 миль. Изучая такие микроквазары, астрономы надеются лучше понять возможную связь между монстрами, скрывающимися в галактических ядрах, и более мелкими аккрецирующими черными дырами, разбросанными по галактикам.
В 2008 году ученые полагали, что нашли черную дыру еще меньшего размера, но позже та же команда скорректировала массу. Любые черные дыры меньшего размера, скорее всего, возникли бы в результате слияния двух нейтронных звезд, а не коллапса умирающей звезды. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория обнаружила гравитационные волны от возможного слияния нейтронных звезд в 2017 году, всего через два года после первого обнаружения гравитационных волн.
Гравитационные волны, испускаемые во время слияний, дают ученым новый способ идентифицировать черные дыры в пределах 100 миллионов световых лет от Земли.
На другом конце спектра размер черной дыры звездной массы зависит от того, насколько массивной была исходная звезда. Самая массивная звезда, обнаруженная на сегодняшний день, — R136a1, ее масса в 315 раз превышает массу Солнца. Если бы он сохранил свою нынешнюю массу, образовавшаяся в результате его неизбежного коллапса черная дыра имела бы радиус около 578 миль. Несмотря на большие размеры по сравнению с самыми маленькими из известных черных дыр, даже эта массивная черная дыра звездной массы меркнет по сравнению со своими сверхмассивными собратьями.
RO J1655-40 (обозначен синим цветом) — второй так называемый «микроквазар», обнаруженный в нашей галактике.
Европейское космическое агентство, НАСА и Феликс Мирабель (Французская комиссия по атомной энергии и Институт астрономии и космической физики/Conicet Аргентины)
Насколько велики черные дыры промежуточной массы?
Между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами находятся черные дыры промежуточной массы: долгожданное «недостающее звено» в эволюции черных дыр.
На сегодняшний день найдено всего несколько кандидатов в черные дыры средней массы, в том числе один, обнаруженный космическим телескопом Хаббл ранее в этом году. Эти объекты еще труднее найти, потому что они, как правило, менее активны, если поблизости нет «топлива», которое можно было бы поглотить.
Недавно обнаруженная Хабблом черная дыра имеет массу более чем в 50 000 раз больше массы Солнца. Обнаруженный в далеком плотном звездном скоплении на окраине более крупной галактики, именно там астрономы ожидали найти доказательства существования этих «недостающих звеньев». При массе в десятки тысяч солнечных кандидат в черную дыру промежуточной массы по-прежнему будет иметь радиус, равный одной пятой радиуса Солнца, или примерно в два раза больше радиуса Юпитера.
И хотя черные дыры промежуточной массы значительно большие, их масса составляет от 100 до 100 000 масс Солнца. Между тем сверхмассивные черные дыры могут достигать массы Солнца в миллиарды раз.
Оценка сверхмассивных черных дыр
Расположенная в 26 000 световых годах от Солнца, центральная черная дыра нашей галактики, Стрелец A*, имеет радиус примерно в 17 раз больше, чем у Солнца, а это означает, что она вполне могла бы находиться на орбите Меркурия.
И хотя она весит около 4 миллионов солнечных масс, черная дыра Млечного Пути мала по сравнению с некоторыми другими сверхмассивными черными дырами, скрывающимися в центре других галактик.
Самая массивная сверхмассивная черная дыра, обнаруженная на сегодняшний день, находится в скоплении галактик Abell 85. В центре этого скопления находится галактика Holm 15A, масса которой оценивается в 2 триллиона солнечных. Сам центр этой галактики почти такой же большой, как Большое Магелланово Облако, радиус которого составляет 7000 световых лет.
В 700 миллионах световых лет от Земли это скопление было в два раза больше, чем расстояние до любого предыдущего измерения черной дыры, когда обсерватория Вендельштейна USM Университета Людвига-Максимилиана и Очень большой телескоп Европейской южной обсерватории начали собирать данные. Они обнаружили, что черная дыра в центре Holm 15A имеет колоссальные 40 миллиардов солнечных масс, или примерно две трети массы всех звезд Млечного Пути.
При такой массе он имеет диаметр, равный размеру всей Солнечной системы, поразительный размер для любого отдельного объекта.
Но наблюдаемая Вселенная простирается на 46,5 миллиардов световых лет в любом направлении, а это означает, что астрономы лишь слегка коснулись наблюдений за черными дырами. Всего год назад телескоп Event Horizon, состоящий из восьми телескопов, расположенных по всему миру, опубликовал первое изображение черной дыры. Кроме того, по прогнозам, сотрудничество LIGO-Virgo по гравитационным волнам будет обнаруживать около 40 слияний двойных звезд каждый год благодаря новым обновлениям, открывая близлежащие черные дыры и нейтронные звезды, как никогда раньше. А с новыми телескопами, такими как космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА и Чрезвычайно большой телескоп ESO, которые должны достичь первого света в течение следующего десятилетия, невозможно сказать, сколько массивных монстров ученые обнаружат скрывающимися во мраке космоса в ближайшем будущем. годы.
Астрономы взвесили самую тяжелую черную дыру
СИЭТЛ — Черная дыра в соседней галактике M87 весит 6,6 миллиарда солнц, что делает ее чемпионом-тяжеловесом локальной вселенной.
«Это самая большая черная дыра в соседней Вселенной», — сказал астроном Карл Гебхардт из Техасского университета в Остине на сегодняшней пресс-конференции здесь, на собрании Американского астрономического общества.
Масса гиганта, а также тот факт, что он живет всего в 50 миллионах световых лет от нас, делают M87 лучшим кандидатом для будущих попыток впервые получить прямое изображение горизонта событий черной дыры.
«С точки зрения самых больших галактик, это действительно у нас на заднем дворе», сказал Гебхардт. «Нахождение так близко к такой массивной черной дыре дает нам замечательный шанс изучить то, что происходит вокруг черной дыры».
Имея массу почти в 6 триллионов солнечных, M87 является самой массивной галактикой в космическом соседстве Млечного Пути. Астрономы ожидали, что в ней будет находиться соответственно огромная черная дыра, но наиболее общепринятые оценки, основанные на измерениях космического телескопа Хаббла, показали, что черная дыра весит всего 3 миллиарда масс Солнца, плюс-минус миллиард.
Но, хотя Хаббл «занял лидерство в плане измерений черных дыр, он не может делать самые большие из них», — сказал Гебхардт.
Чтобы определить массу чудовищной черной дыры, Гебхардт и его коллеги использовали телескоп Gemini North на вершине Мауна-Кеа на Гавайях, чтобы измерить скорость звезд, проносящихся мимо галактического центра.
Используя технику, называемую адаптивной оптикой, в которой астрономы освещают небо лазером и используют эту точку света, чтобы вычесть мерцание звезд, команда Гебхардта смогла измерить скорости звезд в пределах двух световых лет от M87. центр с помощью телескопа Джемини. Ученые также получили данные с помощью телескопа в обсерватории Макдональда в Техасе.
Чем ближе звезды подходили к центру галактики, тем быстрее они двигались, что указывает на то, что в центре скрывается огромный кусок массы, ускоряющий звезды. Гебхардт и его коллеги использовали суперкомпьютерные модели для расчета истинного веса черной дыры: 6,6 миллиарда солнц, плюс-минус 0,25 миллиарда.
Для сравнения, масса черной дыры в центре Млечного Пути составляет всего 4 миллиона масс Солнца.
Большая часть этой массы, вероятно, образовалась из газа и звезд, которые черная дыра поглотила на протяжении тысячелетий. Но траектории звезд, вращающихся вокруг черной дыры, позволяют предположить, что одиночный монстр, существующий сегодня, является продуктом слияния двух меньших черных дыр в одну.
Вероятно, потребовалось несколько сотен таких слияний, чтобы создать чудовище в M87, сказал астроном Калифорнийского технологического института Джордж Джорджовски, не участвовавший в новой работе. На той же пресс-конференции Джорговски объявил о 16 новых парах черных дыр, которые, вероятно, сольются в ближайшие несколько миллионов лет.
Большие черные дыры также имеют большие горизонты событий, точку, в которой гравитация черной дыры настолько велика, что даже свет не может покинуть ее. Черная дыра на горизонте событий M87 имеет диаметр около 12 миллиардов миль, что в три раза превышает размер орбиты Плутона.