Zwarte gaten lijken ons iets ver weg, waarover ze soms films maken of in boeken schrijven. We denken zelden na over wat er zou gebeuren als er een miniatuurzwart gat met een diameter van één millimeter op het oppervlak van onze planeet zou verschijnen. Over dit - in ons materiaal.
Er is een populaire misvatting over zwarte gaten: het zijn een soort ruimtestofzuigers die alles in hun omgeving opeten. Natuurlijk "voeden" ze zich, maar hun magen zijn klein. Het probleem doet zich niet voor als ze ‘eten’, maar als ze ‘braken’ na te veel eten. Dat is echt eng.
Het is eigenlijk een beetje ingewikkelder. Op basis van het feit dat de straal van een zwart gat evenredig is met zijn massa, kunnen enkele berekeningen worden gemaakt. Laten we eerst enkele basisprincipes opfrissen.
Wat is een zwart gat
Een zwart gat is een gebied in de ruimte waarin de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht het niet kan verlaten. De zwaartekracht daar zorgt ervoor dat het weefsel van de ruimte-tijd buigt en zich aan zichzelf vastklemt. Dit alles gebeurt als gevolg van de compressie van materie - meestal zijn dit de overblijfselen van een zware ster - in een extreem klein gebied.
De structuur van het zwarte gat: singulariteit, gebeurtenishorizon en Schwarzschild-straal (het gebied van de singulariteit tot de gebeurtenishorizon).
In feite kunnen we geen zwarte gaten zien vanwege het feit dat er geen licht uit kan komen. Het blijkt dat om het zwarte gat te verlaten, elk object een snelheid moet ontwikkelen die hoger is dan de lichtsnelheid, die op zijn beurt beweegt met een snelheid van 299 792 458 meter per seconde. Ter vergelijking: de ontsnappingssnelheid om de zwaartekracht van de aarde te overwinnen, is slechts 11,2 kilometer per seconde. Als we echter een raket zouden lanceren vanaf een planeet die evenveel weegt als de aarde, maar de helft van de diameter, dan zou de ontsnappingssnelheid 15,8 kilometer per seconde zijn. Zelfs als het object dezelfde massa had, zou de ontsnappingssnelheid hoger zijn vanwege de kleinere afmeting en dus de hogere dichtheid.
Promotie video:
Wat als we het object nog verder verkleinen? Als we de massa van de aarde samenpersen tot een bol met een straal van negen millimeter, bereikt de ontsnappingssnelheid de snelheid van het licht. Als deze massa in een nog kleinere bol wordt geperst, zal de ontsnappingssnelheid hoger zijn dan de lichtsnelheid. Maar aangezien de lichtsnelheid de kosmische snelheidslimiet is, kan niets deze sfeer verlaten.
De straal waarop de massa een ontsnappingssnelheid heeft die gelijk is aan de lichtsnelheid, wordt de Schwarzschild-straal genoemd. Elk object dat kleiner is dan zijn Schwarzschild-straal, is een zwart gat. Met andere woorden, elk object met een ontsnappingssnelheid hoger dan de lichtsnelheid is een zwart gat. Om zo'n object van de zon te maken, moet het worden samengedrukt tot een straal van ongeveer drie kilometer.
Een zwart gat heeft twee hoofdonderdelen: de singulariteit en de waarnemingshorizon. De grootte van de waarnemingshorizon van een zwart gat wordt als de grootte beschouwd omdat deze kan worden berekend en gemeten.
De horizon wordt ook beschouwd als het "point of no return" in de buurt van het zwarte gat. Dit is geen fysiek oppervlak, maar een bol die een singulariteit omgeeft die een grens markeert, waarvan de ontsnappingssnelheid gelijk is aan de snelheid van het licht. De straal van dit gebied is de straal van Schwarzschild.
Zodra materie zich buiten de waarnemingshorizon bevindt, begint het naar het midden van het zwarte gat te vallen. Met zo'n sterke zwaartekracht wordt materie tot een punt samengeperst - een ongelooflijk klein volume met een gekke dichtheid. Dit punt is een singulariteit. Het is verwaarloosbaar en heeft, volgens moderne theoretische modellen, een oneindige dichtheid. Het is heel goed mogelijk dat de wetten van de natuurkunde die we kennen, worden geschonden door de singulariteit. Wetenschappers onderzoeken dit probleem actief om te begrijpen wat er in de singulariteiten gebeurt, en om een complete theorie te ontwikkelen die beschrijft wat er in het midden van een zwart gat gebeurt.
Laten we wat berekeningen doen
Laten we eens kijken wat we kunnen leren over een zwart gat van één millimeter. Volgens berekeningen zal zo'n zwart gat met een Schwarzschild-straal een massa hebben van 7 x 10 ^ 23 kilogram - meer dan vijf massa van de Maan (volgens de formule R = 2MG / c ^ 2, waarbij R de Schwarzschild-straal is, M de massa van het object, G de zwaartekracht constant, en c is de lichtsnelheid).
De verhouding van de aarde tot de zon is drie delen op een miljoen. Dus als de aarde een zwart gat zou worden, zou de straal slechts negen millimeter zijn. Daarom zou een zwart gat van één millimeter een massa hebben van 11% van de massa van de aarde. We zouden zeker problemen hebben met de 11% extra massa op de planeet.
Het is zelfs voldoende dat de totale zwaartekracht van de aarde merkbaar toeneemt. Deze extra zwaartekracht zou voldoende zijn om de baan van de maan te veranderen, zodat hij eenvoudig uit zijn huidige baan zou kunnen vliegen en in een elliptische baan zou kunnen bewegen.
De Flamm-paraboloïde vertegenwoordigt de ruimtetijd voorbij de groeihorizon van de Schwarzschild-zwarte gatgebeurtenissen.
Waar is dit denkbeeldige zwarte gat - op het oppervlak, in het midden van de aarde, of draait het eromheen? Laten we aannemen dat het zich aan de oppervlakte van de planeet bevindt. Het gebied van zijn zwaartekrachtinvloed zou ongeveer een derde van de straal van de aarde bedragen - ongeveer 2124 kilometer.
Alle materie in de directe omgeving van dit microscopisch kleine zwarte gat zou er onmiddellijk een sterke zwaartekracht van voelen, en het gat zou op zijn beurt alles absorberen op weg naar het centrum van de aarde, dat het in ongeveer 42 minuten zou bereiken vanaf het moment dat het verscheen. Het zou door de kern van de aarde reizen en in ongeveer dezelfde tijd de andere kant van het aardoppervlak bereiken.
Als er een zwart gat aan het oppervlak zou verschijnen met een relatieve snelheid van minder dan 12 km / u, zou het rond de Blauwe Planeet draaien, samen met zijn zwaartekrachtgebied. Simpel gezegd, het is de vernietiging van de aardkorst en het grootste deel van zijn mantel. En als het nog eenvoudiger is, betekent het de dood van al het leven op het aardoppervlak.
Aanwaspercentage en Eddington-limiet
Het grootste deel van de massa van de aarde rond het zwarte gat wordt voedsel en wordt erdoor geaccumuleerd. Maar voordat het in een zwart gat valt, moet al dit materiaal zijn impulsmoment verliezen - en daarom zal het eromheen gaan draaien en een aanwasschijf vormen.
Dit materiaal geeft veel warmte af, die uiteindelijk wordt uitgestraald. De straling heeft een druk die verdere aangroei zal vertragen. Beide effecten houden elkaar in evenwicht - dit wordt de Eddington-limiet genoemd.
Opkomend zwart gat in de visie van de kunstenaar
De Eddington-limiet stelt ook een harde limiet aan de mate van aangroei van een zwart gat. Een kleine aanwasschijf zou hoogstwaarschijnlijk een temperatuur hebben van ongeveer zesduizend Kelvin - ongeveer hetzelfde als de kern van de aarde of het oppervlak van de zon.
Er zouden enkele wrijvingsprocessen plaatsvinden tussen de accretieschijf en de massa van de aarde, waardoor een microscopisch klein zwart gat zich zou vestigen in de kern van de planeet.
Dood in een zwart gat
In het algemeen zou het vijf miljard jaar duren voordat zo'n zwart gat de aarde zou verzwelgen. Het zou de massa van de aarde aanzienlijk vergroten. En het zou natuurlijk onmiddellijk een complete wanorde op de planeet veroorzaken, die in slechts een paar uur zou veranderen in een onbewoond ruimtestuk met instortende korst, lava, hete gassen en al het andere.
Leven zou onmogelijk worden, en de hoge massa van het zwarte gat zou de asteroïdengordel kunnen vernietigen. Dit zou op zijn beurt kunnen leiden tot frequente botsingen in het zonnestelsel in de komende miljoen jaar. De maan zou rond de Nieuwe Aarde (zwart gat) blijven draaien, maar in een zeer langgerekte elliptische baan.
Het zwarte gat zou niet onmiddellijk naar het centrum van de aarde gaan, maar zou er een tijdje omheen draaien, maar uiteindelijk zou het er wel komen. Om te begrijpen hoe dit microscopisch kleine zwarte gat in massa zou groeien, zijn complexe berekeningen en simulaties nodig.
Dit alles kan worden samengevat in de woorden van de wereldberoemde astrofysicus en popularisator van de wetenschap Neil DeGrasse Tyson:
Vladimir Guillen