Спросите Итана: как тёмная материя взаимодействует с чёрными дырами?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/05/07/ask-ethan-how-does-dark-matter-interact-with-black-holes/#6b51f48f39bf
  • Перевод
image

Чёрные дыры – одни из самых экстремальных объектов Вселенной: концентрация массы настолько огромной, что та коллапсирует в сингулярность в её центре, в полном согласии с общей теорией относительности. Атомы, ядра и даже фундаментальные частицы сминаются до произвольно малой толщины в нашем трёхмерном пространстве. В то же время всё, что падает в неё, обречено никогда не появляться обратно, а просто дополнять её гравитационное притяжение. Что это означает для тёмной материи? Наш читатель спрашивает:

Как тёмная материя взаимодействует с чёрными дырами? Засасывает ли её в сингулярность, как обычную материю, и дополняет ли это массу чёрной дыры? Если так, что случается с ней после того, как чёрная дыра испаряется посредством излучения Хокинга?

Отличный вопрос, и начать следует с того, что же такое чёрные дыры.

image

У нас на Земле, чтобы отправить что-нибудь в космос, необходимо преодолеть гравитационное притяжение Земли. У нашей планеты то, что мы называем второй космической скоростью, равняется 11,2 км/с, и достичь её можно при помощи запусков мощных ракет. Если бы мы находились на поверхности Солнца, эта скорость была бы почти в 55 раз больше, то есть равна 617,5 км/с. После смерти наше Солнце сожмётся до белого карлика, масса которого примерно равна 50% текущей массы Солнца, а размер – размеру Земли. В этом случае вторая космическая скорость на его поверхности станет равна 4570 км/с, или 1,5% скорости света.

image

Сириус А и Б, нормальная звезда типа Солнца и белый карлик. Хотя белый карлик по массе гораздо меньше, его маленький, земной размер делает вторую космическую скорость намного большей.

image

Это важно, поскольку, чем больше массы вы собираете в одном участке пространства, тем ближе к световой скорость, необходимая для того, чтобы убежать от этого объекта. И когда эта скорость на поверхности объекта достигает или превышает скорость света, то тут уже не просто свет не может вырваться наружу, тут уже обязательно – на основании нашего понимания материи, энергии, пространства и времени – всё, находящееся внутри объекта, коллапсирует в сингулярность. Причина проста: все фундаментальные взаимодействия, включая силы, держащие атомы, протоны и даже кварки, не могут перемещаться быстрее света. Так что если вы находитесь где-то вне точки сингулярности и пытаетесь удержать находящийся чуть дальше объект против гравитационного коллапса, у вас ничего не выйдет; коллапс неизбежен. А для преодоления этого ограничения для начала вам потребуется звезда более массивная, чем 20-40 масс Солнца.

image
Массивная звезда в конце своей жизни, с её железным ядром, проваливающимся внутрь и формирующим чёрную дыру

Когда у неё в ядре заканчивается горючее, центр провалится внутрь под собственной гравитацией, и создаст катастрофическую сверхновую, сбрасывая и уничтожая внешние слои, и оставляя в центре чёрную дыру. Эти ЧД «звёздной массы», масса которых составляет порядка 10 солнечных, со временем вырастают, поглощая любую материю или энергию, отважившуюся слишком сильно приблизиться к ним. Даже если вы падаете в ЧД со скоростью света, вы не сможете выбраться. Из-за чрезвычайно сильной кривизны пространства внутри, вы неизбежно попадёте в сингулярность в центре. После этого вы просто добавите энергию ЧД.

image
Чёрная дыра поглощает аккреционный диск

Находясь снаружи нельзя сказать, была ли эта ЧД изначально сделана из протонов и электронов, нейтронов, тёмной материи или даже антиматерии. У ЧД можно измерить, насколько мы знаем, только три свойства: массу, электрический заряд и угловой момент, то есть, скорость её вращения. У тёмной материи, насколько мы знаем, нет ни электрического заряда, ни квантовых чисел (цветного заряда, барионного числа, лептонного числа, и т.п.), которые могли бы сохраниться или уничтожиться согласно парадоксу исчезновения информации в ЧД.

image

Из-за принципа формирования ЧД (из-за взрывов сверхмассивных звёзд), в первое время после их возникновения они практически на 100% состоят из нормальной (барионной) материи, и на 0% из тёмной материи. Вспомните, что тёмная материя взаимодействует только через гравитацию, в отличие от нормальной материи, взаимодействующей через гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Да, конечно, тёмной материи в крупных галактиках и скоплениях примерно в пять раз больше, чем нормальной, но это если суммировать вместе с гигантским галактическим гало. В обычной галактике это гало простирается на несколько миллионов световых лет, сферически, во всех направлениях, а нормальная материя концентрируется в диске, объёмом в 0,01% от тёмной материи.

image
Нормальная материя в центральном диске и тёмная материя в голубом гало типичной галактики

ЧД обычно формируются внутри галактики, где нормальная материя доминирует над тёмной. Рассмотрим участок космоса, где расположены мы и наше Солнце. Если обвести его сферой радиусом в 100 а.е. вокруг Солнечной системы, мы включим все планеты, луны, астероиды и почти весь пояс Койпера, но барионная масса – нормальная материя – того, что будет внутри, будет в основном представлена массой Солнца и составит порядка 2 * 1030 кг. С другой стороны, общее количество тёмной материи в этой сфере составит 1 * 1019 кг, то есть около 0,0000000005% массы нормальной материи того же участка, что примерно равно массе скромного астероида типа малой планеты Юнона, около 200 км в поперечнике.



Со временем тёмная материя и нормальная материя столкнутся с этой чёрной дырой, и она поглотит их, добавив к своей массе. Большая часть роста массы ЧД будет идти благодаря нормальной материи, а не тёмной материи, хотя, в какой-то момент, квадриллионы лет спустя, скорость распада ЧД всё же превысит скорость её роста. Излучение Хокинга приведёт к испусканию частиц и фотонов снаружи горизонта событий чёрной дыры, сохраняя всю энергию, заряд и угловой момент внутренностей ЧД. Этот процесс может занять от 1067 лет (для ЧД массой с Солнце) до 10100 лет (для самых массивных ЧД, массы которых в миллиарды раз больше солнечной), но в результате получится смесь всего, чего только возможно.



Это значит, что ЧД будут испускать и тёмную материю, но это совершенно не зависит от того, поглотила ли конкретная ЧД когда-то тёмную материю. ЧД помнит об упавшем в неё веществе только небольшой набор квантовых чисел, и количество тёмной материи, упавшей в неё, в этот набор не входит. Выходит из неё совсем не то, что входило!


Пример излучения Хокинга, покидающего ЧД из участков вблизи горизонта событий (только качественная иллюстрация!)

Так что, в итоге, тёмная материя – это всего лишь ещё один источник пищи для ЧД, и не очень-то хороший. Это даже не особенно интересный источник пищи. Результаты попадания в ЧД тёмной материи не отличались бы от результатов эксперимента, в котором вы бы светили в ЧД фонариком, а она поглощала бы ваши фотоны. Достаточно влить в неё, согласно уравнению E = mc2, столько же энергии, сколько в неё упало тёмной материи в пересчёте на массу. В тёмной материи нет других зарядов, и поэтому, кроме углового момента, приобретаемого из-за падения не по центру ЧД (что и к фотонам тоже относится), никакого эффекта на ЧД она не окажет.
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 27
  • 0
    нормальная материя доминирует над обычной

    : )
    • 0
      в реальности все совсем не так как на самом деле :)
    • 0
      Забавно, судя по статье черная дыра теоретически может «конвертировать» обычную материю в черную.
      • 0
        скорее, наоборот
        • 0
          В оба направления.
          • +2
            В первую очередь, ЧД конвертирует все в фотоны. Только на последних этапах жизни ЧД излучается что-то помимо безмассовых частиц.

            Кстати, если когда-нибудь человечество научится делать небольшие ЧД, то получит идеальный реактор: топливом может быть любой мусор, а в результате получается излучение абсолютно черного тела заданной температуры.
            • +1
              Так вот на чем работал двигатель в машине дока!
      • 0
        На картинке с Солнечной системой в тексте лучше уточнить, что шкала логарифмическая, а планеты не в масштабе.

        У читающих может сложиться неправильное представление об истинных размерах и расстояниях.
        • 0
          Картинка с жирной желтой точкой в центре и восемью еле видными точками, была бы менее информативна. А то, что на подобных картинках не соблюден масштаб — довольно очевидно.
          • 0
            Если человек заинтересовался этой статьей, прочитал её и даже что-то понял, то я уверен, что картинка не сможет сбить его с толку и породить «ошибочное представление об истинных размерах и расстояниях планет»
          • +1
            А каким образом можно измерить электрический заряд черной дыры, если электромагнитное излучение из нее не выходит?
            • +2
              Может и никак, но сам факт его наличия следует из некоторых решений уравнений поля.
              • +3
                Электромагнитное излучение это динамика, оно действительно не выходит.
                А для измерения заряда мы меряем электростатическое поле. Оно возникает в момент появления (точнее, разделения) зарядов и дальше, если заряд неподвижен и постоянен по величине, не меняется (поэтому и называется статическим). Даже если вокруг заряда возникнет горизонт событий, его статическое поле никуда не денется (но вот «обновления» этого поля наружу уже не выйдут).

                Вообще, если заряда достаточно много, он может даже помешать возникновению ЧД. Если выбросить коэффициенты единиц измерения, то для возникновения горизонта событий должно выполняться M2 > Q2 + J2, где М — масса, Q — заряд и J — момент вращения.
                • 0
                  Если дыра будет заряжена достаточно сильно — то она скорей всего начнёт рвать виртуальные пары электрическим полем и через это уменьшит свой заряд.
                  • 0

                    А изменение ее заряда сможет выйти наружу через горизонт? Или она так и будет для внешнего наблюдателя вечно заряженной конкретным значением заряда который был на момент образования дыры?


                    Вообще крайне интересно в этом контексте что же такое электростатический заряд и как он действует через горизонт событий. Ему не требуется обмен фотонами для взаимодействия?

                    • 0
                      Так как изменение происходит через падение внутрь заряда противоположного знака — то неважно что с этими зарядами происходит внутри, внешнее поле всё равно складывается
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                • 0
                  Ага, а ключ шифрования уничтожается)
                  • 0
                    Тут больше похоже не на шифрование, а на хэширование.
                  • 0
                    Мне кажется у всех знакомых с тёмной материи уже стойкая аллергия на все публикации на эту тему.

                    Рассуждения Итана выглядят как попытка представить что тёмная материя обладает теми свойствами, которые ей приписываются:
                    «тёмная материя взаимодействует только через гравитацию»

                    Тогда как фактически, что же такое это тёмная материя никто не знает и это всё только предположения. Да и само понятие «тёмная материя» легко может оказаться не ещё одним типом материи, а каким-то недочётом в модели, либо каким-то неучтённым взаимодействием и т.п. Тогда все подобные рассуждения абсолютно лишены смысла, и представляют собой банальный пиар на заезженном штампе.
                    • 0
                      Да и само понятие «тёмная материя» легко может оказаться не ещё одним типом материи, а каким-то недочётом в модели, либо каким-то неучтённым взаимодействием

                      Довольно маловероятно. Всё-таки наблюдения гало и bullet cluster-а
                    • 0
                      А почему взывоподобное расширение материи во всех направлениях в результате Большого взрыва вообще состоялось, если её там было столько, сколько есть совокупная масса Вселенной, а значит, это изначально была мегасверхчёрная мегасверхдыра, от которой по определению почти ничего не могло отдалиться?
                      Вообще непонятно: у Вселенной есть масса, эта масса когда-то находилась в одной точке, следовательно — была подвержена гравитационному сжатию; что могло стать, чтобы это сжатие перестало её удерживать вместе дальше?
                      • 0
                        У нас что сегодня противостоит гравитации? Тёмная энергия — энергетически плотный эфир/вакуум, расширяющееся пространство. Но это оно сейчас такое — расширяется согласно постоянной Хаббла. А раньше плотность этой среды была гораздо выше, и скорость расширения — тоже. Вначале скорость расширения вообще была почти мгновенной, и материя ему не препятствовала — её тогда не было.

                        Представьте такую картину. Бесчисленное множество расширяющихся элементов будущей космической среды (микровселенных, эфиронов, квантов вакуума) переходит от свободного расширения к взаимно сжатому состоянию. В какой-то случайной точке происходит их первое касание, и от неё процесс лавинообразно распространяется во все стороны. Это называют стадией инфляции.
                        У нас получился приличный объём пространства — пока ещё не очень плотной среды, который продолжает расти тем же способом. С ним быстро сливаются внешние элементы среды, которые давят на него и препятствуют прежнему расширению внутренних элементов. И по этой причине плотность сред взаимно сжатых элементов и всего образованного из них объёма — первичного эфира/вакуума — начинает быстро расти.

                        Такая среда угрожает внутреннему состоянию некоторых особых квантов вакуума или эфиронов или микровселенных. Это разумные микровселенные. Вероятность существования разумной материи признают авторитетные философы (обсуждалось в недавней прошлой теме) как источник нашего сознания. Эти разумные микровселенные, стремясь снизить растущее давление на них взаимно сжатых безжизненных микровселенных (просто эфиронов/квантов вакуума), вызывают их ускоренный коллапс. И давлением среды вталкиваются на их место, где они делают то же самое и т.д. То есть они постоянно и быстро перемещаются в плотной среде — как фотоны в пространстве. Это и есть фотоны.
                        И хотя они разрежают вокруг себя плотную среду и создают её приток к себе — создают своё элементарное гравитационное поле, но плотность среды (эфира/вакуума) между ними уже настолько велика, что фотоны не могут притянуться друг к другу. При достижении средой критической плотности и внутреннего давления — большего, чем на её объём давит внешняя среда эфиронов — происходит Большой врыв. Взрывается и расширяется первичный сверхплотный эфир/вакуум с фотонами внутри. Плотность этой среды начинает снижаться, и в ней из фотонов начитают образовываться известные нам элементарные частицы материи — кварки, электроны, адроны.

                        Частиц тёмной материи не образуется. Тёмная материя не требуется, если считать, что источником гравитации является разрежение эфира/вакуума фотонами, из которых образована обычная барионная материя. Ведь тогда плотность среды вокруг частиц материи будет всегда меньше, и скорость её расширения — тоже меньше. Поэтому первичные скопления горячей материи будет постоянно обжимать внешняя для них пустая среда — более плотная и быстро расширяющаяся. Благодаря этому частицы быстро соберутся в протогалактические скопления и образуют ту структуру скоплений галактик, которую мы наблюдаем. Такая космология избавляет от проблем, существующих в LCDM-модели.
                        • 0
                          материя ему не препятствовала — её тогда не было

                          Насколько позволяют мои скудные познания, чтобы искривить пространство (что и является гравитацией по сути), собственно материя и не нужна, а нужны энергия и масса, а этого всего там сразу после БВ было, мягко говоря, предостаточно. И «почти мгновенное» — это уж всяко не быстрее скорости света, особенно поначалу. Хотя, что считать расширением, если само пространство расширяется, но это уже вопрос воображения.
                          Ну а «разумные микровселенные» — это, конечно, всё остальное объясняет…
                          В любом случае, спасибо за пространный ответ. Кстати (на всякий случай уточняю), это не цитирование из книги?
                        • 0
                          Пока вселенная была наполнена веществом равномерно — в каждой точке сумма тяготения была нулевой.
                        • 0
                          (не в ту ветку)
                          • 0
                            Мне вот интересно, если все коллапсирует в бесконечно малую точку, то скорость вращения этой точки должна быть бесконечно большой?

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.