Три мифа о черных дырах

​Журнал «Форбс» решил просветить своих читателей на тему черных дыр. Экспертом выступил Хоссам Али, профессор астрономии из Университета Лестера. В своем коротком, но очень информативном ликбезе ученый развенчивает три самых распространенных заблуждения о черных дырах.

1. Галактики вращаются вокруг черных дыр

Мы все знакомы с нашей Солнечной системой, где кучка планет и астероидов (и булыжников, дослужившихся до высоких званий, вроде Плутона) вращаются вокруг центрального небесного тела. Астрономы называют это системой Кеплера (то есть системой, следующей законам Кеплера). В таких системах центральный объект вносит наибольший вклад в общую массу, а все остальные тела могут считаться «пробными телами» — так называются малые заряды, которые не возмущают внешнее поле. Вращение по законам Кеплера происходит по эллиптическим орбитам с уменьшением средней орбитальной скорости по мере удаления от центра, и это уменьшение пропорционально корню от радиуса орбиты.

Многие считают, что по той же схеме построена галактика, где звезды и газовые облака вращаются вокруг центральной черной дыры. Это не так. Астрономы давно знают, что галактики — это не системы Кеплера, так как орбитальные скорости звезд, как правило, не зависят от радиуса орбит. Сегодня, когда в нашем распоряжении есть массы черных дыр, в том числе Стрельца A* в центре Млечного Пути, мы можем получить более точную картину.

Назовем сферой влияния черных дыр объем, внутри которого гравитационный потенциал черной дыры преобладает над потенциалом материнской галактики. Тогда для Стрельца A* сфера влияния будет иметь радиус около 3 парсеков. (1 парсек равен 3,26 световым годам. Астрономы редко используют световые годы как меру расстояния, разве что при общении с прессой.) В масштабе Галактики это крошечный объем. Настолько крошечный, что в него помещается всего около 100 звезд, а всего их в Млечном Пути порядка 200 миллиардов. И только про эти 100 звезд можно сказать, что они вращаются вокруг черной дыры. Солнечная система расположена более чем в 8000 парсеков от центра, и это только две трети пути до края Галактики.

Представление о том, насколько незначительна гравитация нашей черной дыры, можно получить, просто сравнив предполагаемые массы Стрельца A* и Млечного Пути. Стрелец A* весит примерно столько же, сколько 3,6 миллиона солнц. В то же время совокупный (звезды + газ + темная материя) вес Галактики составляет около 10 триллионов солнечных масс. Вторая цифра почти в миллион раз больше первой.

2. Черные дыры засасывают всё вокруг себя

Мы уже выяснили, что звезды снаружи сферы влияния черной дыры не вращаются вокруг нее. Но что насчет тех 100 небесных тел в радиусе 3 парсеков от Стрельца A*? Стоит ли им волноваться, что их проглотят?

Вся штука с гравитацией черной дыры в том, что она ничем не отличается от гравитации любого другого объекта, обладающего массой. Сила тяготения не заставляет небесные тела падать друг на друга (это верно только в случае нулевой тангенциальной скорости в системе отсчета центрального объекта), она заставляет их обращаться друг около друга. По этой причине Земля 4,5 миллиарда лет вращается по орбите вокруг Солнца и не падает на него. Если бы Солнце было черной дырой той же массы, наша орбита осталась бы такой же. Этим простым фактом мы обязаны сохранению углового момента, которое следует из законов Ньютона.

О чем действительно стоит беспокоиться той сотне звезд, которые живут в 3 парсеках от Стрельца A* и ближе, так это о приливных силах черной дыры, прозванных астрономами спагеттификацией, или эффектом лапши. Как известно, сила тяготения между двумя массами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Когда звезда подлетает слишком близко к черной дыре, та ее сторона, что оказывается ближе к черной дыре, притягивается сильнее, чем противоположная сторона. В какой-то момент поле приливных сил оказывается сильнее, чем гравитация самой звезды, и начинается приливное разрушение. Черная дыра затем принимается высасывать газ, захваченный у разрушенной звезды.

Чтобы Солнце испытало приливное разрушение вблизи Стрельца A*, им нужно оказаться на расстоянии 100 миллионов километров друг от друга. Это меньше одной астрономической единицы, то есть среднего расстояние между орбитой Земли и Солнцем. Величина очень маленькая по сравнению с шириной сферы влияния — 3 парсеками. На самом деле, ни одна звезда в сфере влияния не находится так близко к Стрельцу A*. Ближайшее к черной дыре небесное тело — это звезда S0-2, и она подлетает к центру Галактики не ближе чем на 120 астрономических единиц.

3. Черные дыры имеют очень высокую плотность

Лишь маленькие черные дыры имеют высокую плотность. Массивные черные дыры, которые находятся в центрах галактик, совсем не такие плотные.

У черных дыр нет радиуса в собственном смысле слова, и потому не может быть строго определенного объема или плотности. Но если считать горизонт событий краем черной дыры, то ее плотность будет уменьшаться прямо пропорционально квадрату ее массы. Типичная черная дыра звездной массы (в Млечном Пути таких должно быть около 100 миллионов), которая весит в 10 раз больше Солнца, будет в 10 миллионов миллионов раз плотнее воды, то есть будет иметь плотность 10¹⁶ килограммов на кубический метр.

Плотность Стрельца A* составляет около 10⁶ кг/м³, что в 1000 раз больше, чем у воды. (Кстати, Стрелец A* — нетипично маленькая черная дыра для такой галактики, как Млечный Путь).

Типичная сверхмассивная черная дыра в приличной галактике весит в 100 миллионов раз больше Солнца. Это дает нам плотность примерно в 100 кг/м³ — 10% от плотности воды.

Одна из самых тяжелых сверхмассивных черных дыр находится в центре галактики NGC1600 и весит столько же, сколько 17 миллиардов солнц. Плотность такой дыры составила бы примерно 0,01 кг/м³, что в 100 000 раз меньше плотности воды и составляет всего 1% от плотности земной атмосферы на уровне моря.

Оригинал статьи