Черная дыра в воде: Чёрная дыра в ванне

Содержание

Чёрная дыра в ванне | Наука и жизнь

Волновые явления в черных дырах можно изучать, наблюдая за вытекающей из резервуара водой.

Как это ни удивительно, но некоторые волновые явления, происходящие в черных дырах, можно смоделировать в лаборатории. Благодаря своеобразной аналогии между процессами, характерными для черных дыр, и гидродинамическими процессами в вытекающей из резервуара воде появляется сходство распространения волн в обоих случаях. Такая возможность рассматривается в новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters исследователями из Бразилии и Великобритании.

Фотография возникающего в стоке водоворота, моделирующего чёрную дыру. Фото: FAPESP

Изображение волн, формирующихся на поверхности воды. Иллюстрация: источник FAPESP.

‹

›

Открыть в полном размере

В 1981 году канадский физик Уильям Унру обнаружил, что с некоторыми упрощениями уравнения, которые описывают распространение волны в окрестности черной дыры, идентичны уравнениям, которые описывают распространение волны в воде, вытекающей по стоку из резервуара. Воспользовавшись этой идеей, участники проекта «Физика и геометрия пространства-времени» провели теоретическое исследование и предварительные эксперименты. В некоторых отношениях изучаемое ими явление похоже на процессы в реальной астрофизической черной дыре, которая возникла в результате слияния двух черных дыр и генерирует гравитационные волны.

Для моделирования черной дыры использовался большой резервуар для воды размером 3 на 1,5 метра. Вода вытекает из него через центральный слив и закачивается обратно, так что система находится в равновесии: приток воды равен её оттоку.

Создаваемые на поверхности воды волны увлекаются потоком воды, который ускоряется при приближении к стоку. Вдали от стока скорость волны намного выше скорости жидкости, поэтому волны могут распространяться в любом направлении. Однако вблизи стока всё иначе. Скорость вытекающей жидкости там становится намного больше скорости волн, поэтому поток воды затягивает волны, даже когда они распространяются в противоположном направлении. Именно так черная дыра может быть смоделирована в лаборатории.

В настоящей астрофизической черной дыре ее гравитационное притяжение захватывает вещество и препятствует выходу волн любого рода, в том числе световых. В гидродинамической модели волны на поверхности жидкости не могут выходить из образующегося вихря. Анализ этих волн показывает такие свойства черной дыры, как ее момент импульса и масса.

Особенность данного исследования – учёт вихревого движения воды при стоке, что игнорируется обычно используемыми более простыми моделями. Увидеть простой вихрь или водоворот можно при вытекании воды из домашней ванны. Там хорошо видно, как образуется воронка из вращающейся воды. В исследовании рассматривается более сложная картина вращения отдельных областей движущейся жидкости. Если завихренность равна нулю, эти области просто переносятся жидкостью. Однако, если завихренность не равна нулю, они не только сопровождают поток, но и вращаются вокруг своего центра масс.

В более простых моделях обычно предполагается, что завихренность жидкости равна нулю. Это хорошее приближение для областей, расположенных вдалеке от основного вихря в стоке. Однако вблизи стока завихренность становится важной.

Настоящая черная дыра генерирует постепенно затухающие гравитационные волны с определенными частотами. Их называют квазинормальными модами (нормальными они бы были при отсутствии затухания). Аналогичные колебания можно наблюдать на выведенной из равновесия поверхности воды в домашней ванне. Авторы работы исследовали как завихренность влияет на затухание этих волн во время распространения. Они обнаружили, что некоторые колебания в окрестности стока затухали очень медленно или, другими словами, оставались активными в течение длительного времени. Такие колебания известны как квазисвязанные состояния. Теория предсказывала их существование, но предыдущие исследования их упускали из виду.

Возможно, в будущем детекторы гравитационных волн достигнут такой чувствительности, что смогут регистрировать такие колебания и извлекать из них характеристики чёрных дыр.

По материалам официального сайта FAPESP

Слив воды помог изучить взаимодействие черной дыры с внешним полем

Ученые пронаблюдали взаимодействие аналоговой черной дыры с внешним полем. Моделью дыры послужил вихрь, возникающий при сливе воды из резервуара. Чтобы вызвать изменения в динамике вихря, физики создавали поверхностные волны. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Черные дыры — объекты, которые пока остаются недосягаемыми для прямого изучения. В 1981 году физик Уильям Унру предложил исследовать их с помощью моделей, которые называют аналоговыми моделями гравитации. Аналоговые модели основаны на сходствах между разными системами. В случае черных дыр заменой выступают, например, завихрения в жидкостях. Волны звука и других колебаний вокруг завихрений ведут себя подобно световым и гравитационным волнам вблизи черной дыры. Поняв, по каким законам работает аналоговая модель, можно сделать предположения о свойствах настоящих астрофизических объектов. Именно предположения: мы слишком мало знаем о черных дырах, чтобы утверждать, что водяной вихрь их имитирует правдоподобно.

До сих пор считалось, что у жидкостных моделей есть существенный недостаток. В общей теории относительности взаимодействие между черной дырой и полями вокруг нее происходит через изменение массы и углового момента дыры. В жидкостных аналоговых моделях эффективная масса и угловой момент вращения вихря определяются параметрами эксперимента, поэтому ученые ожидали, что пронаблюдать процесс взаимодействия не получится.

Сэм Патрик (Sam Patrick), Гарри Гудхью (Harry Goodhew), Циско Гудинг (Cisco Gooding) и Силк Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner) из Ноттингемского университета и Кембриджского университета исследовали взаимодействие водяного вихря, возникающего при сливе воды, с поверхностными волнами.

Для создания аналоговой модели они использовали резервуар, в который подавали воду и одновременно сливали. В центре резервуара находилось отверстие радиусом два сантиметра, сквозь которое вода утекала — фактически физики изучали процесс, очень похож на обычный слив в ванной. С черной дырой эту модель объединяет то, что вода, подошедшая слишком близко к сливу, уносится вниз, не имея возможности выбраться. То же самое происходит с объектами, попадающими за горизонт событий.

Как только скорость поступления и высота воды в резервуаре принимали постоянные значения, на поверхности жидкости с помощью поршней начинали создавать волны. Ученые замеряли, насколько после этого изменилась высота воды.

Несмотря на фиксированные параметры эксперимента, изменения в высоте вихря были настолько сильными, что наблюдались даже невооруженным взглядом. Этот эффект имеет простое объяснение: когда волны приближаются к сливу, они выталкивают больше воды в отверстие.

В жидкостной модели впервые удалось пронаблюдать процесс, аналогичный изменению свойств черной дыры в результате взаимодействия с внешним полем. Убывание количества воды в вихре соответствует переходу энергии и углового момента от волн к самой черной дыре. Описанную систему можно использовать для изучения обратной реакции из-за сверхизлучения и излучения Хокинга.

Мы уже писали о том, что физикам удалось увидеть излучение Хокинга от аналоговой черной дыры и измерить его тепловой спектр.

Екатерина Назарова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

В погоне за черными дырами океана

С математической точки зрения водовороты в океане аналогичны черным дырам в космосе. Предоставлено: Г. Халлер / ETH Zurich.

По мнению исследователей из ETH Zurich и Университета Майами, некоторые из крупнейших океанских водоворотов на Земле математически эквивалентны загадочным черным дырам космоса. Эти водовороты настолько плотно экранированы круговыми водными путями, что ничто, захваченное ими, не ускользает.

Мягкие зимы в Северной Европе происходят благодаря Гольфстриму, который является частью океанских течений, охватывающих весь земной шар и влияющих на климат. Однако на наш климат также влияют огромные водовороты диаметром более 150 километров, которые вращаются и дрейфуют по океану. Сообщается, что их число растет в Южном океане, увеличивая перенос теплой и соленой воды на север. Любопытно, что это может смягчить негативное воздействие таяния морского льда в условиях потепления климата.

Однако ученым пока не удалось количественно оценить это воздействие, потому что точные границы этих водоворотов так и не были обнаружены. Джордж Халлер, профессор нелинейной динамики в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, и Франсиско Берон-Вера, профессор-исследователь океанографии в Университете Майами, нашли решение этой проблемы. В статье, только что опубликованной в журнале Journal of Fluid Mechanics , они разработали новую математическую технику для поиска переносящих воду водоворотов с последовательными границами.

Проблема обнаружения таких водоворотов состоит в том, чтобы точно определить когерентные водные острова в неспокойном океане. Вращающееся и дрейфующее движение жидкости кажется наблюдателю хаотичным как внутри, так и вне вихря. Халлер и Берон-Вера смогли навести порядок в этом хаосе, выделив когерентные водные острова из серии спутниковых наблюдений. К их удивлению, такие когерентные водовороты оказались математически эквивалентными черным дырам.

Из вихря не выбраться

Черные дыры — это объекты в космосе, масса которых настолько велика, что они притягивают все, что находится на определенном расстоянии от них. Ничто, подошедшее слишком близко, не может ускользнуть, даже свет. Но на критическом расстоянии луч света уже не закручивается в черную дыру по спирали. Скорее, он резко изгибается и возвращается в исходное положение, образуя круговую орбиту. Барьерная поверхность, образованная замкнутыми световыми орбитами, в теории относительности Эйнштейна называется фотонной сферой.

Халлер и Берон-Вера обнаружили подобные закрытые барьеры вокруг избранных океанских водоворотов. В этих барьерах частицы жидкости движутся по замкнутым петлям — подобно пути света в фотонной сфере. И, как в черной дыре, из этих петель ничего не может вырваться, даже вода.

Именно эти барьеры помогают идентифицировать когерентные океанские водовороты в огромном количестве доступных данных наблюдений. По словам Галлера, сам факт существования таких когерентных водных орбит среди сложных океанских течений удивителен.

Водовороты как водные такси

Поскольку океанические водовороты типа черных дыр стабильны, они функционируют так же, как транспортное средство — не только для микроорганизмов, таких как планктон, или инородных тел, таких как пластиковые отходы или масло, но и для воды с содержанием тепла и солей, которые могут отличаться от окружающей воды. Халлер и Берон-Вера подтвердили это наблюдение для колец Агульяс, группы океанских водоворотов, которые регулярно возникают в Южном океане у южной оконечности Африки и переносят теплую соленую воду на северо-запад. Исследователи идентифицировали семь колец Агульяс типа черной дыры, которые транспортировали один и тот же объем воды без утечек в течение почти года.

Халлер указывает, что подобные когерентные вихри существуют и в других сложных течениях за пределами океана. В этом смысле многие вихри, вероятно, также подобны черным дырам. Даже Большое Красное Пятно — стационарная буря — на планете Юпитер может быть просто самым ярким примером вихря типа черной дыры. «Математики уже очень давно пытаются понять такие своеобразно когерентные вихри в турбулентных потоках», — объясняет Халлер.

Примечательно, что первым человеком, описавшим океанские водовороты как связные водные острова, был американский писатель Эдгар Аллан По. В своем рассказе «Спуск в водоворот» он представил устойчивый пояс пены вокруг водоворота. Это послужило вдохновением для Галлера и Берона-Вера, которые нашли эти пояса — океанический эквивалент фотонных сфер — используя сложные математические формулы. Ожидается, что их результаты помогут решить ряд океанических загадок, начиная от вопросов, связанных с климатом, и заканчивая распространением закономерностей загрязнения окружающей среды.

Дополнительная информация:
Халлер Г. и Берон-Вера Ф. Когерентные лагранжевы вихри: черные дыры турбулентности, Journal of Fluid Mechanics , vol. 731 (2013) Р4. DOI: 10.1017/jfm.2013.391

Предоставлено
Высшая техническая школа Цюриха

Цитата :
В погоне за черными дырами океана (2013, 23 сентября)
получено 19ноябрь 2022 г.
с https://phys.org/news/2013-09-black-holes-ocean.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Черная дыра содержит самое массивное водяное облако во Вселенной

По словам астрономов, в галактике, удаленной на 12 миллиардов световых лет, находится самое далекое и самое массивное водяное облако из когда-либо виденных во Вселенной.

Гигантское облако тумана, весящее в 40 миллиардов раз больше массы Земли, окружает активно питающуюся сверхмассивную черную дыру, известную как квазар.

Среди самых ярких и энергичных объектов во Вселенной квазары представляют собой черные дыры в центрах галактик, которые гравитационно поглощают окружающие диски вещества, извергая при этом мощные потоки энергии.

«Поскольку этот диск материала поглощается центральной черной дырой, он высвобождает энергию в виде рентгеновского и инфракрасного излучения, которое, в свою очередь, может нагревать окружающий материал, что приводит к наблюдаемому водяному пару», — говорится в исследовании. — автор Эрик Мерфи, астроном из обсерватории Карнеги в Пасадене, Калифорния.

Пар вокруг этого конкретного квазара представляет собой достаточное количество воды, «чтобы заполнить все океаны на Земле более 140 триллионов раз — это очень много воды».

(Также см. «Звезда нашла стреляющую воду «пули».»)

Первобытная вода Была ли универсальной охлаждающей жидкостью?

Мерфи и его коллеги обнаружили влажную черную дыру с помощью спектрографа, прикрепленного к десятиметровой субмиллиметровой обсерватории Калифорнийского технологического института на вершине Мауна-Кеа на Гавайях. Команда также обнаружила, что необычно теплое водяное облако омывает другие газы и пыль вокруг черной дыры.

На самом деле газа и пыли достаточно, чтобы черная дыра могла вырасти в 6 раз по сравнению с нынешним размером, или более чем в 120 миллиардов раз больше массы нашего Солнца, сказал Мерфи.

Возможно, еще более удивительным является то, что колоссальный космический резервуар образовался, когда Вселенной было всего 1,6 миллиарда лет. (См.: «Безупречные черные дыры обнаружены рядом с концепцией Вселенной».)

«Для меня самым захватывающим аспектом этого открытия является то, что оно демонстрирует, насколько всепроникающей является вода даже в десятую часть нынешнего возраста Вселенной», — сказал Мерфи.

«Тот факт, что мы обнаружили такое большое количество [воды] на этой ранней стадии развития Вселенной, является еще одним свидетельством того, что молекулы и химическое обогащение галактик могли происходить так быстро после Большого взрыва».

Астрономы надеются использовать находку для изучения того, как большие количества воды в молодой Вселенной могли действовать как эффективные охладители межзвездной среды — разреженного газа и пыли, которые существуют между звездами — возможно, влияя на звездообразование и эволюцию галактик как наш Млечный Путь.