Подібність та відмінність чорної діри від нейтронної зірки
Подібність чорної дірки та нейтронної зірки
Чорна діра, це і є нейтронна зірка, точніше, чорна діра є одним з різновидів нейтронних зірок.
Чорна діра, як і нейтронна зірка, складається з нейтронів. Причому це не нейтронний газ, в якому нейтрони знаходяться у вільному стані, а дуже щільна субстанція із щільністю атомного ядра.
Чорні дірки та нейтронні зірки утворюються в результаті гравітаційного колапсу, коли тиск газу в зірці не може врівноважити її гравітаційний стиск. При цьому зірка стискається до дуже маленького розміру і дуже великої густини, так що електрони вдавлюються в протони і утворюються нейтрони.
Зауважимо, що середнє життя вільного нейтрона близько 15 хвилин (період напіврозпаду близько 10 хвилин). Тому нейтрони в нейтронних зірках та в чорних дірах можуть бути лише у зв'язаному стані, як у атомних ядрах. Тому нейтронна зірка і чорна дірка, це ніби атомне ядро макроскопічних розмірів, в якому немає протонів.
Відсутність протонів, це одна відмінність чорної дірки та нейтронної зірки від атомного ядра. Друга відмінність пов'язана з тим, що у звичайних атомних ядрах нейтрони і протони "склеєні" один з одним за допомогою ядерних сил (так зване, "сильна" взаємодія). А в нейтронних зірках нейтрони "склеєні" за допомогою гравітації.
Справа в тому, що ядерним силам потрібні ще й протони для склеювання нейтронів один з одним. Не існує таких ядер, які складаються лише з одних нейтронів. Обов'язково має бути хоча б один протон. А для гравітації жодні протони не потрібні, щоб "склеїти" нейтрони один з одним.
Ще одна відмінність гравітації від ядерних сил полягає в тому, що гравітація, це далекодія взаємодія, а ядернісили, це короткодіюча взаємодія. Тому атомні ядра неможливо знайти макроскопічних розмірів. Починаючи з урану, всі елементи періодичної таблиці Менделєєва мають нестійкі ядра, які розпадаються через те, що позитивно заряджені протони відштовхуються один від одного і розривають великі ядра.
У нейтронних зірок і чорних дірок такої проблеми немає, оскільки, по-перше, гравітаційні сили далекодіючі, а, по-друге, у нейтронних зірках і чорних дірах немає позитивно заряджених протонів.
Нейтронна зірка і чорна діра під дією сил гравітації мають форму кулі, а точніше еліпсоїда обертання, тому що всі нейтронні зірки (і чорні дірки) обертаються навколо осі. Причому досить швидко з періодами обертання від кількох секунд і менше.
Справа в тому, що нейтронні зірки та чорні дірки утворюються зі звичайних зірок шляхом їхнього сильного стиснення під дією гравітації. Тому за законом збереження моменту обертання вони повинні дуже швидко обертатися.
Чи є поверхня чорних дірок та нейтронних зірок твердою? Не в сенсі твердого тіла, як агрегатного стану речовини, а в сенсі чіткої поверхні кулі без нейтронної атмосфери. Мабуть, так, чорні дірки та нейтронні зірки мають тверду поверхню. Нейтронна атмосфера та нейтронна рідина, це нейтрони у вільному стані, отже, вони мають розпадатися.
Але це не означає, що, якщо ми, наприклад, упустимо на поверхню чорної діри або нейтронної зірки якийсь "виріб" з нейтронів із щільністю атомного ядра, то він залишиться лежати на поверхні зірки. Такий гіпотетичний "виріб" тут же "всмокчеться" усередину нейтронної зірки і чорної дірки.
Відмінність чорних дірок від нейтронних зірок
Сила тяжіння у чорної дірки така, що другакосмічна швидкість її поверхні перевищує швидкість світла. Тому світло із поверхні чорної дірки не може назавжди піти у відкритий космос. Гравітаційні сили завертають промінь світла назад.
Якщо на поверхні чорної діри знаходиться джерело світла, то фотони цього світла спочатку летять нагору, а потім повертають і падають назад на поверхню чорної діри. Або ці фотони починають обертатися навколо чорної дірки еліптичною орбітою. Останнє має місце на такій чорній дірі, на поверхні якої перша космічна швидкість менша за швидкість світла. У цьому випадку фотон може вирватися з поверхні чорної дірки, але він перетворюється на постійний супутник чорної дірки.
А на поверхні всіх інших нейтронних зірок, які не є чорними дірками, друга космічна швидкість менша за швидкість світла. Тому, якщо на поверхні такої нейтронної дірки знаходиться джерело світла, то фотони від цього джерела світла залишають поверхню такої нейтронної зірки гіперболічним орбітам.
Зрозуміло, що всі ці міркування відносяться не тільки до видимого світла, а й до електромагнітного випромінювання. Тобто залишити чорну дірку не може не тільки видиме світло, а й радіохвилі, інфрачервоні промені, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-випромінювання. Максимум, що зможуть фотони цих випромінювань і хвиль, це почати обертатися навколо чорної діри, якщо для цієї чорної діри швидкість світла більша за першу космічну швидкість на поверхні зірки.
Тому такі нейтронні зірки і називаються так "чорна дірка". Від чорної діри нічого не вилітає, а все, що завгодно, може туди залетіти. (Випаровування чорних дірок за рахунок квантового тунелювання тут розглядати не будемо.)
Тобто зрозуміло, що жодної дірки у просторі там насправді немає. Точнотакож, як немає жодної дірки у просторі на місці розташування звичайної нейтронної зірки або на місці звичайної зірки.
Дірки у просторі там є лише у книгах письменників-фантастів, у науково-популярних виданнях та телепередачах. Виданням та телепередачам потрібно фінансово відбити витрати на тиражі та рейтинги. Тому їм доводиться емоційно вражати своїх читачів та телеглядачів такими фактами, які не можна перевірити за сьогоднішнього рівня розвитку науки і техніки, але які можуть з'явитися в якихось математичних моделях. (Непрофесійна публіка зазвичай не підозрює, що математичні моделі у фізиці завжди вторинні, що фізика наука експериментальна і що математичні моделі фізичних об'єктів мають властивість у майбутньому змінюватись у міру появи нових експериментальних даних.)
Якби ми могли стояти на поверхні чорної діри, то, подивившись нагору, ми б побачили замість зоряного неба напівпрозоре дзеркало. Тобто ми бачили б там і навколишній космос (оскільки чорна діра приймає все випромінювання відправлене до неї) і те світло, яке повертається до нас назад не зумівши подолати гравітація. Це повернення світла назад має ефект дзеркала.
Таке саме напівпрозоре "дзеркало" на поверхні чорної діри має місце і для інших видів електромагнітного випромінювання (радіохвилі, рентген, ультрафіолет і т.д.)