Про Черные Дыры во Вселенной среди людей распространено очень много всяких мифов. Большинство этих мифов появились из произведений писателей фантастов, голливудских кинофильмов и телепередач на таких телеканалах, как Discovery. Мы здесь не будем заниматься разоблачением всяких антинаучных мифов про то, что Черные Дыры, это порталы в параллельные вселенные или машины времени и тому подобное.
Рассмотрим только один из мифов, это миф о том, что Черная Дыра, якобы, как пылесос, засасывает в себя всё вещество из окружающего её пространства. И, якобы, поэтому, масса Черной Дыры всё время растет и растёт. От этого, якобы, Черная Дыра засасывает ещё больше и больше вещества. Поэтому, якобы, нашу Вселенную ожидает такой конец, когда во Вселенной останутся только одни Черные Дыры, которые тоже, в конце концов, сольются в одну супер массивную Черную Дыру.
Увеличивается ли гравитация Черной Дыры?
Ещё Ньютон показал, что гравитационное поле шара (с радиально симметричным распределением плотности) точно такое же, как и гравитационное поле точки с такой же массой, которая имеет такие же координаты, как и центр шара. То есть, если мы не видим самого тела, а измерения гравитационного поля показывает, что гравитационный потенциал тела радиально симметричен и уменьшается обратно пропорционально расстоянию от некоторой точки, то мы можем только вычислить массу этого тела и координаты его центра. А вот о радиусе этого тела ничего сказать не можем.
Поэтому сила притяжения к шарообразному телу (с радиально симметричным распределением плотности) зависит только от массы тела и от расстояния до его центра. Например, если наше Солнце сжать до размера футбольного мяча, то Земля будет притягиваться к такому сжатому Солнцу точно также, как и раньше. Орбита Земли ничуть не изменится. Не будет так, что Земля вдруг резко поменяет свою орбиту и полетит к сжатому Солнцу. Ведь масса Солнца не изменилась и расстояние от Земли до центра Солнца тоже не изменилось.
Точно также орбита Земли не изменится и от того, что Солнце разбухнет по объему так, что поверхность Солнца дойдет до орбиты Меркурия. Ведь масса Солнца не изменится и расстояние от Земли до центра Солнца тоже не изменится.
Поэтому когда какая-нибудь звезда превращается в Черную Дыру, то для того пространства, которое окружало эту звезду ничего не меняется. Гравитационное поле остается там точно таким же, каким оно было раньше.
Почему гравитация Черной Дыры уменьшается
Мало того, на самом деле окружающее родительскую звезду гравитационное поле немного уменьшается при превращении звезды в Черную Дыру. Дело в том, что звезда превращается в Черную Дыру в результате гравитационного коллапса. Во время такого коллапса внутренние слои звезды резко сжимаются под действием гравитации. А внешние слои звезды разлетаются в окружающее пространство.
Физика этого явления следующая. Каждая звезда имеет конкретное значение своего радиуса. Это равновесный радиус, который определяется компромиссом между гравитацией и температурным расширением звездной плазмы. Если радиус звезды увеличить "руками" и потом "отпустить", то под действием силы тяжести радиус звезды начнет уменьшаться к своему равновесному значению. А если радиус звезды, наоборот, уменьшить "руками", то под действием теплового расширения радиус звезды начнет увеличиваться к своему равновесному значению.
У каждой звезды такой радиус, при котором гравитация и тепловое расширение уравновешивают друг друга. Аналогичный механизм определяет, например, высоту атмосферы Земли. Если не менять массу атмосферы Земли, но нагреть атмосферу, то толщина атмосферы увеличится. А если можно было бы не менять массу атмосферы и не менять радиус Земли, но увеличить массу Земли, то высота атмосферы уменьшится.
Коллапс звезды наступает тогда, когда внутри неё перестают идти термоядерные реакции с выделением тепла. В этом случае теплая плазма поднимается наверх во внешние слои звезды, а холодная плазма начинает накапливаться внутри звезды. Центральная часть звезды охлаждается и коллапсирует в маленькое плотное тело, так как тепловое давление плазмы уже не может сдержать гравитацию. При этом звезда, как бы, разделяется на две части: большая внутренняя часть, которая коллапсирует, и небольшой горячий верхний слой, который перестает быть связанным с остальной частью звезды и поэтому под действием своей высокой температуры разлетается во все стороны от звезды.
Если находиться достаточно далеко от такой коллапсирующей звезды, то притяжение к ней не изменится, так как сумма коллапсирующей массы и разлетающейся массы точно такая же, как масса родительской звезды. Но если находиться между коллапсирующей массой и разлетающейся массой, то разлетающаяся масса не оказывает никакого гравитационного воздействия. Я сейчас уже не помню кто, Ньютон или Лаплас, показал, если тело находится внутри толстой массивной сферы с радиально симметричным распределением массы, то такая сфера не будет притягивать к себе тело, где бы это тело не находилось внутри такой сферы.
Значит, притяжение к Черной Дыре будет определяться только оставшейся коллапсированной массой. То есть масса Черной Дыры всегда меньше массы родительской звезды. Поэтому гравитация от Черной Дыры всегда будет меньше, чем от родительской звезды, если объект расположен ближе к Черной Дыре, чем разлетающиеся от неё горячие газы.
Наше Солнце не станет Черной Дырой, так как масса Солнца недостаточна для такого сценария. Но если представить себе, что Солнце всё-таки стало Черной Дырой, то сначала в момент коллапса и в ближайшее время притяжение Земли к Черной Дыре будет точно таким же, как и к Солнцу. А когда большая часть разлетающихся газов пролетит через орбиту Земли, то Земля станет притягиваться к Черной Дыре слабее, чем она раньше притягивалась к Солнцу.
Что находится в окрестности Черной Дыры
В этом месте многие захотят мне возразить и сказать, что если Солнце сжать до размера футбольного мяча, то на поверхности такого футбольного мяча будет такая сильная гравитация, что даже свет не сможет вырваться не только с поверхности мяча, но и из некоторого объема, который окружает этот мяч. Вот, якобы, из этого окружающего мяч пространства Черная Дыра и будет засасывать всё вещество.
Формально всё это так, а вот фактически немного не так. Дело в том, что радиус этого пространства, откуда ничто не может вырваться, всегда меньше, чем радиус родительской звезды. Причем, значительно меньше. Например, если наше Солнце сжать так, что оно станет Черной Дырой, то радиус пространства, откуда ничто не может улететь, будет много меньше радиуса Солнца. Не будет так, чтобы радиус такого пространства был бы больше радиуса Солнца. Например, не будет так, чтобы этот радиус будет больше расстояния от Солнца до Меркурия, то есть Меркурий не попадет в пределы такого пространства-ловушки.
"Ловушка" будет иметь очень маленькие размеры по сравнению с размером родительской звезды. И попадет в эту "ловушку" только то, что туда залетит.
А теперь включаем логику и подумаем, а залетит ли в эту "ловушку" что-то, кроме электромагнитных волн и потока нейтрино? Имеется в виду, залетит ли в гравитационную "ловушку" Черной Дыры какое-нибудь вещество, если изначально на родительскую звезду никакое вещество не летит.
Если Вы хорошо подумаете, то поймете, что к Черной Дыре практически ничего не залетает. Все тела в космосе двигаются строго по своим орбитам. Не бывает так, чтобы какое-то тело летает по своей строгой орбите, а потом вдруг ни с того ни с чего резко поворачивает и летит в окрестность Черной Дыры. Например, Земля и Меркурий как летали по своим орбитам вокруг Солнца, так и будут летать по тем же самым своим орбитам, если Солнце сжать до размера футбольного мяча. Не будет так, чтобы Меркурий или какой-то метеорит или комета "решили" изменить свои орбиты так, чтобы полететь поближе к футбольному мячу.
Все те метеориты, астероиды, кометы и планеты, орбиты которых пересеклись с поверхностью Солнца, за миллиарды лет либо уже давно испарились возле поверхности Солнца, либо были отброшены солнечным ветром и изменили свои орбиты так, чтобы больше никогда не пересекаться с поверхностью Солнца. Поэтому, если Солнце сжать до размера футбольного мяча, то в окрестность этого мяча ничто не залетит ближе, чем был радиус Солнца. Вокруг Черной Дыры в радиусе родительской звезды никакое вещество из системы родительской звезды уже практически не залетает.
Что приходит в окрестность Черной Дыры
Что же может залететь в такую окрестность Черной Дыры, что окажется в гравитационной ловушке? Это два вида вещества:
- Случайные "гости" из далёкого космоса.
- Мелкие метеориты из системы родительской звезды.
В первом случае это тела, которые движутся около Черной Дыры по гиперболическим орбитам. В окрестности Черной Дыры они имеют чудовищно большие скорости, так сильно разгоняются, "падая" из далеких глубин космоса. Подавляющее большинство таких тел, залетевших в область с радиусом родительской звезды, улетают прочь в глубины космоса. Черной Дырой захватываются только такие объекты, которые летели практически точь-в-точь на маленькую область "ловушку".
Вероятность такого точного попадания в маленькую область в пределах радиуса родительской звезды является очень маленькой. Если Вы с поверхности Луны будете каждую секунду стрелять из снайперской винтовки по мухе, которая летит в атмосфере Земли, то у Вас выше вероятность случайно попасть в такую муху один раз в течение тысячи лет, чем вероятность прилёта на Черную Дыру одного килограмма вещества в течении 10 тысяч лет. (Это не точный подсчет!)
Второй случай прилета вещества из системы родительской звезды связан с тем, что орбиты небесных тел в звездных системах не являются точно замкнутыми эллипсами. Например, Луна, вращаясь вокруг Земли, постепенно удаляется от Земли. Поэтому орбита Луны, это не идеальный замкнутый эллипс, а скорее спираль, каждый виток который очень близок к эллипсу. Физика такого постепенного изменения своей орбиты связана и с возмущением, вносимым крупными планетами (так, например, Юпитер влияет на астероиды и кометы), и с приливными эффектами (это случай Луны).
Чем менее массивное тело, тем для него более характерен этот эффект постепенного изменения своей орбиты. У Юпитера такое относительное изменение орбиты очень мало. А вот у мелких метеоритов относительное изменение орбит бывает достаточно большим.
Есть очень маленькая, но ненулевая вероятность, что через миллионы лет после образования Черной Дыры некоторые метеориты начнут периодически залетать в область, где когда-то располагалась родительская звезда. И есть еще меньше вероятность, что некоторые из этих орбит начнут всё ближе и ближе проходить к Черной Дыре. Так что через миллиарды лет какие-то мелкие метеориты будут попадать в гравитационные ловушки Черной Дыры и начнут вращаться вокруг Черной Дыры по эллиптическим орбитам полностью расположенным внутри такой ловушки.
Почему вероятность такого сценария маленькая? Потому что, во-первых, не все орбиты мелких тел меняются так, чтобы начать входить в область, которую когда-то занимала родительская звезда. Многие мелкие объекты, например, наоборот, выталкиваются за пределы такой системы и навсегда покидают её. Во-вторых, совсем не факт, что если орбита какого-то метеорита начала вся или частично располагаться в пространстве, которое когда-то занимала родительская звезда, то такая обрита будет обязана в дальнейшем всё больше приближаться к Черной Дыре. Орбита такого метеорита может со временем снова перестать заходить в пространство, которое когда-то занимала родительская звезда.
Черная Дыра в системе двойной звезды
А что же тогда в Интернете, по телевидению и в научно-популярных книжках нам всё время показывают всякие картинки, где Черная Дыра прямо как вампир высасывает вещество соседней звезды?
Дело в том, что это высасывание вещества соседней звезды началось ещё до образования Черной Дыры. Ведь при коллапсе звезда теряет часть своей массы и поэтому сила притяжения к Черной Дыре всегда меньше, чем сила притяжения к родительской звезде. Значит, раз Черная Дыра высасывает вещество соседней звезды, то родительская звезда тем более высасывала еще больше вещества своей соседки.
Единственное замечание, которое тут нужно сделать, это то, что родительская звезда не поглощала всё высасываемое вещество. Часть высасываемого вещества рассеивалось в окружающем пространстве за счет давления солнечного ветра родительской звезды.
Таким образом, с одной стороны, Черная Дыра начинает чуть менее интенсивно засасывать в себя вещество соседней звезды из-за того, что масса Черной Дыры сначала меньше массы родительской звезды. А, с другой стороны, Черная Дыра засасывает в себя почти всё вещество соседней звезды из-за того, что у Черной Дыры нет солнечного ветра, который выталкивает вещество в открытый космос. Мне сейчас трудно сказать, какой из этих эффектов будет больше.
Но в любом случае, когда Черная Дыра полностью засосет в себя всю свою соседнюю звезду, то для соседних звезд ничего от этого не изменится. Ведь масса системы не изменилась. Изменилось только количество объектов в системе. Было два объекта, а стал один объект с суммарной массой.
Просто раньше окружающие звезды притягивались к центру масс двойной звездной системы. Этот центр масс находился не в центре родительской звезды, а был чуть смещен в направлении соседней звезды. Это также, как Луна вращается не вокруг центра Земли, а вокруг общего центра масс Земли и Луны. Марс и Венера притягиваются не к центру Земли, а к центру масс общей системы Земли и Луны. После поглощения Черной Дырой своей соседний звезды, центр Черной Дыры аккуратно встанет в бывший центр масс бывшей двойной системы. Окружающие звезды от этого не изменят свои орбиты, так как для них ничего не меняется.
Почему же эти картинки с Черной Дырой, поглощающей соседнюю звезду, так любят публиковать? Потому что именно в таких двойных системах можно достаточно легко по косвенным признакам обнаружить присутствие Черной Дыры. Дело в том, что соседняя звезда вращается вокруг своей оси. Поэтому вещество с неё не падает точно по направлению в центр Черной Дыры. Вещество летит к Черной Дыре под некоторым углом к направлению на центр Черной Дыры. По этой причине падающее на Черную Дыру вещество начинает закручивать свою траекторию падения.
По закону сохранения момента вращения, чем меньше становится радиус вращения, тем больше становится скорость вращения. Поэтому, чем ближе к Черной дыре приближается вещество соседней звезды, тем быстрее оно начинает вращаться вокруг Черной Дыры. А так как это вещество состоит не из нейтральных атомов, а представляет собой плазму, то есть смесь положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, то, двигаясь с ускорением, эти заряженные частицы начинают излучать электромагнитное излучение с определенным спектром.
Ученые, детектируя такой спектр излучения от какой-нибудь звезды, могут с уверенностью сказать, что рядом с этой звездой располагается невидимый звездный "вампир" в образе Черной Дыры.
Как исчезают Черные Дыры
Черные Дыры испаряются.
Физика этого явления достаточно сложная. Но сам механизм этого явления основан на эффекте квантового туннелирования. Суть квантового туннельного перехода следующая. Если между двумя ямами потенциальной энергии существует потенциальный барьер с конечной высотой и конечной толщиной, то существует ненулевая вероятность того, что элементарная частица может сделать подбарьерный переход и перейти из одной потенциальной ямы в другую.
Какое это имеет отношение к Черным Дырам? Ведь гравитационный потенциал имеет бесконечную ширину. Значит, квантовый туннельный переход невозможен.
И, действительно, если Черная Дыра не вращается, то никакого эффекта квантового туннелирования не будет.
Но, на самом деле, все Черные Дыры вращаются, причем, не просто вращаются, а бешено вращаются. Это десятки и сотни оборотов в секунду. Дело в том, что все звезды хоть чуть-чуть, но вращаются. При сжатии звезды во время коллапса в игру вступает закон сохранения момента вращения. Чем больше звезда сожмется, тем быстрее она станет вращаться.
Так вот, во вращающейся системе отсчета, связанной с точкой на "поверхности" Черной Дыры, кроме гравитации, появляется еще и центробежная сила. Суммарный энергетический потенциал в такой системе становится с "горбом", который имеет конечную высоту и конечную ширину. Если преодолеть такой потенциальный барьер, то частица улетит на бесконечность под действием центробежной силы и гравитация не сможет затормозить её.
Вот под этим "горбом", который появляется во вращающейся системе отсчета и происходит квантовое туннелирование элементарных частиц с "поверхности" Черной Дыры.
Это сильно упрощенное описание механизма испарения Черных Дыр, чтобы глубоко не вдаваться в природу этого сложного явления. На уровне примитивной идеи для неспециалистов.
Чем больше отношение скорости вращения на "поверхности" Черной Дыры к гравитации на "поверхности" Черной Дыры, тем быстрее идет процесс испарения Черной Дыры. Но, в любом случае, этот процесс испарения Черных Дыр идет гораздо медленнее, чем процесс потери массы родительских звезд за счет электромагнитного излучения и выброса вещества с поверхности звезд во время вспышек. Поэтому Черные Дыры могут существовать не миллиарды, а десятки и сотни миллиардов лет.
Но в любом случае Черные Дыры рано или поздно исчезнут и не поглотят всю Вселенную.