Три міфи про чорні діри, Futurist - майбутнє вже тут
Журнал «Форбс» вирішив просвітити своїх читачів на тему чорних дірок. Експертом виступив Хоссам Алі, професор астрономії з Університету Лестера. У своєму короткому, але дуже інформативному лікнепі вчений розвінчує три найпоширеніші помилки про чорні діри.
1. Галактики обертаються навколо чорних дірок
Ми всі знайомі з нашою Сонячною системою, де купка планет і астероїдів (і каменів, що дослужилися до високих звань, на кшталт Плутона), обертаються навколо центрального небесного тіла. Астрономи називають це системою Кеплера (тобто системою, яка наступає законам Кеплера). У таких системах центральний об'єкт робить найбільший внесок у загальну масу, а решта тіла може вважатися «пробними тілами» — так називаються малі заряди, які не обурюють зовнішнє поле. Обертання за законами Кеплера відбувається по еліптичних орбітах зі зменшенням середньої орбітальної швидкості в міру віддалення від центру, і це зменшення пропорційно до кореня від радіуса орбіти.
Багато хто вважає, що за тією ж схемою побудовано галактику, де зірки та газові хмари обертаються навколо центральної чорної діри. Це не так. Астрономи давно знають, що галактики — це системи Кеплера, оскільки орбітальні швидкості зірок, зазвичай, залежить від радіуса орбіт. Сьогодні, коли в нашому розпорядженні є маси чорних дірок, у тому числі Стрільця A* у центрі Чумацького Шляху, ми можемо отримати більш точну картину.
Назвемо сферою впливу чорних дір об'єм, усередині якого гравітаційний потенціал чорної дірки переважає потенціал материнської галактики. Тоді для Стрільця A* сфера впливу матиме радіус близько 3 парсеків. (1 парсек дорівнює 3,26 світловим рокам. Астрономи рідко використовуютьсвітлові роки як міру відстані, хіба що при спілкуванні з пресою. У масштабі Галактики це крихітний обсяг. Настільки крихітний, що в нього міститься всього близько 100 зірок, а всього їх у Чумацькому Шляху близько 200 мільярдів. І лише про ці 100 зірок можна сказати, що вони обертаються навколо чорної дірки. Сонячна система розташована більш ніж 8000 парсеків від центру, і це лише дві третини шляху до краю Галактики.
Уявлення про те, наскільки незначною є гравітація нашої чорної діри, можна отримати, просто порівнявши передбачувані маси Стрільця A* і Чумацького Шляху. Стрілець A* важить приблизно стільки, скільки 3,6 мільйона сонців. У той же час сукупна (зірки + газ + темна матерія) вага Галактики становить близько 10 трлн сонячних мас. Друга цифра майже в мільйон разів більша за першу.
2. Чорні дірки засмоктують усе навколо себе
Ми вже з'ясували, що зірки зовні сфери впливу чорної діри не обертаються довкола неї. Але що щодо тих 100 небесних тіл у радіусі 3 парсеків від Стрільця A*? Чи варто їм хвилюватись, що їх проковтнуть?
Вся штука з гравітацією чорної дірки в тому, що вона нічим не відрізняється від гравітації будь-якого іншого об'єкта, що має масу. Сила тяжіння не змушує небесні тіла падати одне на одного (це вірно лише у разі нульової тангенціальної швидкості в системі відліку центрального об'єкта), вона змушує їх звертатися одне біля одного. З цієї причини Земля 4,5 мільярда років обертається орбітою навколо Сонця і не падає на нього. Якби Сонце було чорною діркою тієї ж маси, наша орбіта залишилася б такою самою. Цим простим фактом ми зобов'язані зберегти кутовий момент, який випливає із законів Ньютона.
Про що справді варто турбуватися тій сотні зірок, які живутьв 3 парсеках від Стрільця A* і ближче, так це про приливні сили чорної діри, прозвані астрономами спагеттифікацією, або ефектом локшини. Як відомо, сила тяжіння між двома масами обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Коли зірка підлітає надто близько до чорної діри, та її сторона, що виявляється ближче до чорної діри, притягується сильніше, ніж протилежна сторона. У якийсь момент поле приливних сил виявляється сильнішим, ніж гравітація самої зірки, і починається приливна руйнація. Чорна діра потім починає висмоктувати газ, захоплений у зруйнованої зірки.
Щоб Сонце зазнало приливної руйнації поблизу Стрільця A*, їм потрібно опинитися на відстані 100 мільйонів кілометрів один від одного. Це менше однієї астрономічної одиниці, тобто середньої відстані між орбітою Землі та Сонцем. Величина дуже маленька порівняно із шириною сфери впливу – 3 парсеками. Насправді жодна зірка у сфері впливу не знаходиться так близько до Стрільця A*. Найближче до чорної діри небесне тіло – це зірка S0-2, і вона підлітає до центру Галактики не ближче ніж до 120 астрономічних одиниць.
3. Чорні дірки мають дуже високу щільність
Лише маленькі чорні дірки мають високу густину. Масивні чорні дірки, що знаходяться у центрах галактик, зовсім не такі щільні.
Чорні діри не мають радіусу у власному розумінні слова, і тому не можуть бути строго певного обсягу або щільності. Але якщо вважати горизонт подій краєм чорної діри, її щільність буде зменшуватися прямо пропорційно квадрату її маси. Типова чорна діра зоряної маси (у Чумацькому Шляху таких має бути близько 100 мільйонів), яка важить у 10 разів більше Сонця, буде у 10 мільйонів разівщільніше за воду, тобто матиме щільність 10 16 кілограмів на кубічний метр.
Щільність Стрільця A* становить близько 10 6 кг/м 3 що у 1000 разів більше, ніж у води. (До речі, Стрілець A* - нетипово маленька чорна діра для такої галактики, як Чумацький Шлях).
Типова надмасивна чорна діра в пристойній галактиці важить у 100 мільйонів разів більше за Сонце. Це дає нам щільність приблизно 100 кг/м 3 - 10% від щільності води.
Одна з найважчих надмасивних чорних дірок знаходиться в центрі галактики NGC1600 і важить стільки, скільки 17 мільярдів сонців. Щільність такої дірки склала б приблизно 0,01 кг/м 3 , що у 100 000 разів менше густини води і становить лише 1% від густини земної атмосфери на рівні моря.