Доза STEM: неустрашающее руководство по отдыху возле черной дыры
Если была бы возможность, вы бы хотели отправиться в отпуск в черную дыру? Это вообще возможно? Черные дыры - один из самых опасных небесных объектов во Вселенной. Наверняка вы слышали, что если вы подойдете слишком близко к черной дыре, вы будете растянуты и искривлены, пока не разорветесь на части, и она вас поглотит; ваша энергия навсегда останется в ловушке черной дыры. Так почему мы должны отдыхать рядом с чем-то настолько опасным? Давайте углубимся, чтобы лучше понять черные дыры.
ЧАСТЬ 1: ОТПУСК У ЧЕРНОЙ ДЫРЫ
КАКИЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ МОЖНО ПОСЕТИТЬ? КАКИЕ ДОСТОПРИМЕЧАТЕЛЬНОСТИ ЕСТЬ? ГДЕ Я МОГУ ОСТАНОВИТЬСЯ?
ОТВЕТ: Вы можете посетить сверхмассивные вращающиеся черные дыры (вы все правильно прочитали)
Краткое объяснение:
Причина, по которой вы должны посетить вращающуюся черную дыру, заключается в том, что можно узко уйти за горизонт событий (если, конечно, вы из будущего или принадлежите к развитой цивилизации). Почему страшная большая черная дыра? Черная дыра меньшего размера более опасна, потому что она вызывает больше приливных эффектов, что приводит к спагеттификации до того, как вы достигнете горизонта событий. Черная дыра является местом притяжения (каламбур), но лучше рассматривать ее с безопасного расстояния, которое может составлять более 1 а.е. (96 миллионов миль). Остерегайтесь излучения аккреционного диска!
Длинное объяснение:
Когда массивная звезда приближается к своему концу, она коллапсирует под действием собственной гравитации, образуя крошечную черную дыру. Но со временем эта черная дыра становится больше из-за своего ненасытного голода. Эта звезда, которая в конечном итоге становится черной дырой, вращается, и в соответствии с законом Ньютона вращающийся объект не остановится, если что-то не остановит его. У нее есть угловой момент, и чтобы сохранить этот угловой момент, поскольку звезда продолжает сжиматься, импульс заставляет ее вращаться все быстрее и быстрее, пока она не схлопнется, образуя черную дыру. Черная дыра продолжает вращаться с такой скоростью.
У каждой черной дыры есть горизонт событий, точка, за которой ничто не может вырваться, и сингулярность, где сосредоточена вся всасываемая масса. Чтобы быть конкретным, сингулярность - это точка в пространстве без площади поверхности. Во вращающейся черной дыре или черной дыре Керра (есть два типа черных дыр, основанных на спине - черная дыра Шварцшильда и черная дыра Керра), это называется кольцевостью, с нулевой толщиной, без поверхности и с очень высокой скоростью вращения! (Помните сохранение углового момента?) Когда черная дыра вращается с такой высокой скоростью, она увлекает за собой пространство; он искажает пространство и время. В результате вокруг черной дыры образуется область пространства-времени, называемая эргосферой.
Эргосфера - безумное место! Поскольку черная дыра передает свою кинетическую энергию всему в эргосфере, вы будете непрерывно вращаться по спирали, пока не войдете в горизонт событий. Тогда, ну, ты мертвое мясо; если быть точным, то вам предстоит пройти спагеттификацию; вы будете растянуты по вертикали и сжимаются по горизонтали, пока не сломаетесь и не потеряетесь навсегда. Чтобы оставаться в эргосфере, вам нужно двигаться быстрее скорости света. Это невозможно! Но вот уловка - мы можем использовать энергию эргосферы, и ее очень много!
Мы можем использовать процесс Пенроуза, названный в честь сэра Роджера Пенроуза, лауреата Нобелевской премии по физике 2020 года. Он понял, что передача энергии может происходить в самой эргосфере, и разработал эту концепцию в 1969 году. Представьте, что вы застряли в водовороте. Если вы хотите выйти на большой скорости, вы должны плыть в направлении водоворота. Точно так же в эргосфере черной дыры вы можете захотеть сделать это, но при этом что-то оставить.
Если мы запустим ракету в эргосферу, ее можно разделить на 2 части: одна часть упадет в черную дыру, а другая будет выброшена с огромной скоростью! Звучит знакомо? Возможно, вы видели фильм «Интерстеллар», который иллюстрирует ту же концепцию. Однако если вы нормальный человек, это легче сказать, чем сделать.
МОЙ ДРУГ ПОПАЛ В ЧЕРНУЮ ДЫРУ - ЧТО ДЕЛАТЬ?
ОТВЕТ: Мы еще не знаем, но, скорее всего, вы ничего не можете с этим поделать.
Краткое объяснение:
Радиация Хокинга может прийти им на помощь, по крайней мере, теоретически. Однако есть вероятность, что ваш друг не вернется.
Длинное объяснение:
Профессор Стивен Хокинг в 1974 году теоретически обнаружил, что черные дыры испускают излучение черного тела * из-за жутких квантовых эффектов вблизи черной дыры. Он создается преобразованием квантовых флуктуаций энергии в пары частицы-античастицы вблизи горизонта событий. Один падает в черную дыру, а другой убегает, прежде чем они уничтожат друг друга. Улетевшая частица имеет положительную энергию, тогда как частица, которая попадает в черную дыру, имеет отрицательную энергию по отношению к внешней Вселенной. Следовательно, черная дыра теряет энергию и, следовательно, массу. По мере того как черная дыра излучает энергию, она становится все меньше и меньше (рекомендуется путешествовать как можно дальше, поскольку она становится все меньше), и в конечном итоге она исчезает.
Однако позже выяснилось, что излучение Хокинга, по сути, не несет информации, а это противоречит квантовой механике. Расчеты профессора Хокинга показали, что квантовая информация уничтожается. Если вы полны решимости вернуть своего друга, найдя лучший способ и доказав, что Хокинг и другие физики ошибаются, вы можете использовать этот веб-сайт в качестве отправной точки.
КАКОВЫ ПРЕДУПРЕЖДАЮЩИЕ ЗНАКИ, ЧТО Я СЛИШКОМ БЛИЗКО К ЧЕРНОЙ ДЫРЕ?
ОТВЕТ: Радиация, замедление времени и спагеттификация.
Объяснение: В аккреционном диске (диск обломков за пределами горизонта событий) гравитация сжимает обломки, что, в свою очередь, увеличивает температуру. Это заставляет его производить тонны смертельной радиации. По мере приближения к черной дыре время будет течь для вас медленнее по сравнению с остальной вселенной. Представьте, что вы находитесь на космическом корабле и облетаете черную дыру, скажем, со скоростью света (это гипотетическая ситуация; невозможно путешествовать со скоростью света). Время для тебя шло бы медленно. Однако часы на Земле движутся намного быстрее. На самом деле, на Земле прошло бы много лет! Вы были бы на несколько лет старше, но люди на Земле были бы намного старше вас. Это явление называется замедлением времени. Спагеттификация не требует дополнительных объяснений.
ЧАСТЬ 2: ЦИВИЛИЗАЦИИ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ (СКОРО!)
Абстракт
Что такое цивилизации черных дыр? Могут ли люди обитать рядом с черной дырой? (Обратите внимание, что под близостью мы подразумеваем кратчайшее безопасное расстояние) Следите за нашей следующей статьей о цивилизациях черных дыр!
Вы знаете какие-нибудь интересные факты о черных дырах? Вы знаете какие-либо другие способы использовать энергию черной дыры? Прокомментируйте ниже!
Источники:
Escaping a black hole (Scientific American): https://www.scientificamerican.com/article/escape-from-a-black-hole/
Hawking radiation (ThoughtCo): https://www.thoughtco.com/what-is-hawking-radiation-2698856
Kurzgesagt video: https://www.youtube.com/watch?v=ulCdoCfw-bY
Источник изображения:
Penrose Effect GIF by Gyfcat
Перевод на русский язык Дарьи Смук.
