Как сделать черную дыру на земле
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 19.09.2024
Чёрная дыра — это место в космосе, где гравитация настолько сильна, что даже объекты движущиеся со скоростью света не могут ей сопротивляться, в том числе сами частицы света. Такое гравитационное притяжение возникает, потому что материя была сжата в крошечное пространство. Считается, что подобные явления происходят, когда умирают звёзды.
Поскольку никакой свет не может покинуть эту область, чёрные дыры буквально невидимы. Однако космические телескопы со специальным оборудованием способны их обнаруживать. Например, можно фиксировать необычное поведение объектов, которые находятся близко к чёрной дыре.
Размеры чёрных дыр
Учёные считают, что самые маленькие чёрные дыры, размером всего в один атом, могли возникнуть в первые мгновения существования Вселенной. Подобные условия создают на большом адронном коллайдере, и у общественности возникают опасения, что это может привести к возникновению чёрной дыры.
Как образуются чёрные дыры
Такие большие объекты, как звёзды, обладают большой гравитацией. Вся материя звезды всегда притягивается к центру, но термоядерные реакции не позволяют ей схлопнуться. То есть с одной стороны работает притяжение, а с другой давление, которое удерживает форму звезды.
Самой популярной считается теория, что чёрная дыра — это конечная стадия жизни звезды с очень большой массой, превышающей как минимум массу 20 Солнц. Когда внутри такой звезды прекращаются термоядерные реакции (заканчивается топливо), то под действием своей огромной гравитации она ускоренно сжимается в нейтронную звезду. В зависимости от своей начальной массы, она может остаться сверхплотной нейтронной звездой либо продолжить сжиматься с такой силой, что даже свет не сможет покинуть её пределы — это и будет чёрная дыра.
Существует и другой сценарий, когда все те же процессы происходят с межзвёздным газом, находящимся на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, то вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию чёрной дыры.
Может ли чёрная дыра уничтожить Землю
Чёрные дыры не передвигаются по космосу, поглощая звёзды, луны и планеты. Земля не упадет в чёрную дыру, потому что ни одна из них не находится достаточно близко к Солнечной системе.
Даже если бы в центре нашей системы образовалась чёрная дыра той же массы, что Солнце, Землю всё равно бы не затянуло туда. Чёрная дыра будет иметь ту же гравитацию, что и Солнце. Земля и другие планеты будут вращаться вокруг неё, как они вращаются вокруг Солнца.
В любом случае Солнце не такая большая звезда, чтобы когда-то превратиться в чёрную дыру.
Рентгеновские лазеры на свободных электронах (РЛСЭ) — вид лазеров, которые генерируют рентгеновское излучение, подходящее для исследований структуры биологических молекул. В качестве рабочего тела РЛСЭ используется пучок электронов, движущихся по синусоидальной траектории через ондулятор (или вигглер) — устройство, представляющее собой ряд магнитов. При этом электроны излучают фотоны, формирующие узкий конус рентгеновского излучения.
Рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами с довольно маленькой длиной, что позволяет использовать их для изучения очень маленьких объектов (чем короче длина волны, тем более мелкие детали можно рассмотреть с ее помощью). Однако есть существенная проблема: коротковолновое излучение обладает высокой энергией. В результате вместо того, чтобы узнать структуру биологической молекулы, мы ее сжигаем. Обойти эту трудность помогают фемтосекундные лазеры — лазеры сверхкоротких импульсов.
Фемтосекунда — одна квадрилионная доля секунды (10 -15 c.) Импульсы рентгеновского излучения, генерируемые этой разновидностью РЛСЭ, длятся примерно 5-50 фемтосекунд. При таких коротких, но сверхмощных (до 10 20 ватт на квадратный сантиметр) импульсов образец не успевает разрушиться до того, как ученые получат его изображение. Однако и здесь существуют свои ограничения. Столь интенсивные импульсы подходят для изучения сложных материалов и биологических систем, но не для фундаментальных молекулярных исследований, для которых применяют рентгеновское излучение послабее.
Лазер на свободных электронах
Фото: China Crisis / Wikipedia
Дело в том, что при облучении атомов интенсивным рентгеновским излучением они достигают высокой степени ионизации благодаря многофотонному поглощению. В молекулах, состоящих из разных атомов, это происходит с самым тяжелым атомом (у которого выше порядковый номер) при условии, что для него вероятность поглощения фотона гораздо выше, чем для соседних ядер. После этого полученный заряд распределяется по всей молекуле. Такая ионизация может приводить к локальным повреждениям образца и, как следствие, искажениям картины.
Ученые научились предсказывать искажения при использовании мягких или не очень интенсивных рентгеновских импульсов. Для этого были разработаны модели на основе изолированного атома, ионизированного при тех же условиях. Однако оставалось неизвестным, можно ли смоделировать те же процессы в полиатомных молекулах при более жестком и интенсивном излучении.
Чтобы ответить на этот вопрос, международная научная группа воспользовалась лазером на свободных электронах LCLS (Linac Coherent Light Source) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США. Изолированные атомы ксенона, молекулы газообразного иодметана (CH3I) и иодбензола (C6H5I) были подвергнуты воздействию рентгеновского излучения при энергии фотонов 8,3 килоэлектронвольт (кэВ) и интенсивностью 10 19 ватт на квадратный сантиметр. Длительность каждого импульса составляла менее 30 фемтосекунд. Измерялись выход и кинетическая энергия образовавшихся ионов.
Линейный ускоритель LCLS
Фото: Brad Plummer / Wikipedia
Обнаружилось, что максимальные уровни ионизации атомов ксенона и ионов йода CH3I были сравнимы друг с другом (48+ и 47+ соответственно). Подобное не наблюдалось в экспериментах с мягким рентгеновским излучением и энергией фотонов 5,5 кэВ, где уровень ионизации отдельных атомов был выше, чем атомов с близким порядковым номером в молекуле. Самый большой полученный заряд всей молекулы иодметана достигал 54+ (это значит, что рентген выбил из нее 54 электрона), что превышало максимальный положительный заряд ксенона.
Физики воспользовались теоретической моделью, чтобы объяснить такой результат. Водород и углерод, содержащиеся в CH3I, незначительно поглощают фотоны из-за их маленького эффективного сечения. Этой величиной определяется вероятность взаимодействия атома с частицей, и она зависит от размера атома.
У более крупного атома йода большее эффективное сечение. Почти все поглощенные молекулой фотоны приходятся на него, и это приводит к его ионизации — потере 47 электронов (углерод тоже ионизируется, но только на четыре электрона). Возникает эффект Оже, когда атом становится неустойчивым и вынужден заполнять возникшие вакансии электронами, находящимися на других (внешних) электронных оболочках. В результате выделяется энергия, которая может передаваться другим электронам, вынуждая их покинуть атом. Таким образом, процесс принимает каскадный характер. В результате формируется высокий положительный заряд, локализованный в атоме йода.
Изображение: A. Rudenko / Nature
Именно это превращает йод, по словам ученых, в своеобразный молекулярный аналог черной дыры, затягивающей в себя электроны с соседних атомов. Причем сила притяжения, обусловленная электромагнитным взаимодействием, больше силы, которой могла бы подействовать на электроны астрономическая черная дыра массой в десять Солнц. Йод пытается заполнить свои опустевшие оболочки, но в результате теряет большую часть отрицательного заряда. А атомы водорода лишаются своих единственных электронов. Все это происходит в течение фемтосекунд, что делает этот тип ионизации одним из самых быстрых.
Егор Морозов | 4 Сентября, 2019 - 14:00
Все хотят иметь личную червоточину. В том смысле, что кто захочет путешествовать по вселенной обычным способом, когда банальный полет от одной звезды до другой может занять тысячи и десятки тысяч лет? Гораздо интереснее, если вы можете заскочить в ближайшее отверстие кротовой норы, совершить небольшую прогулку в ней и оказаться в каком-нибудь экзотическом отдаленном уголке вселенной.
Однако есть одна небольшая техническая трудность: червоточины, которые являются настолько сильными изгибами пространства-времени, что образуют короткий туннель между двумя точками вселенной, катастрофически нестабильны. Например, если вы пошлете в кротовую нору фотон, то она разрушится быстрее, чем он по ней пролетит, то есть быстрее скорости света.
Проще простого.
Принцип работы червоточины: зачем сто лет лететь по обычному (красному пути), если можно добраться до нужной точки за секунду через кротовую нору (зеленый путь).
Проблемы создания кротовой норы
В принципе, построить червоточину довольно просто. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, масса и энергия деформируют ткань пространства-времени. И определенная особая конфигурация материи и энергии позволяет сформировать туннель — максимально короткий путь между двумя удаленными частями вселенной.
К сожалению, даже на бумаге эти червоточины фантастически нестабильны. Всего один фотон, проходящий через червоточину, запускает катастрофический каскад, который разрывает ее. Тем не менее, некоторое количество материи с отрицательной массой может противодействовать дестабилизирующему воздействию обычной материи, пытающейся пройти через червоточину, делая ее проходимой.
Есть, правда, одна загвоздка — вещества с отрицательной массой не существует, поэтому нам нужен запасной план.
Давайте начнем с самой кротовой норы. Нам нужен вход и выход. Теоретически, возможно соединить вместе черную дыру (область пространства, из которой ничто не может уйти) с белой дырой (теоретическая область пространства, куда ничто не может войти). Когда эти два необычных космических объекта объединяются, они образуют совершенно новую структуру: червоточину. Таким образом, вы можете прыгнуть в любой конец этого туннеля, и вместо того, чтобы пугать людей, сбрасывая книги с бесконечных полок в черной дыре, вы без всякого вреда для себя вылетите с другой стороны.
Правда, белых дыр тоже не существует. Становится все сложнее, не правда ли?
Зарядить черные дыры!
Вот так теоретически выглядит один из видов червоточин, мост Эйнштейна-Розена: наблюдатель видит свет из другой части вселенной внутри черной дыры.
Поскольку белых дыр не существует, нам нужен запасной план для запасного плана. К счастью, умные математики подсказывают нам возможное решение: заряженная черная дыра. Черные дыры могут нести электрический заряд — да, при естественном формировании заряда они не приобретают, но мы используем то, что можем получить. Внутри любой черной дыры находится странное место с так называемой гравитационной сингулярностью: это, пожалуй, самая необычная область во вселенной, в которой не работают большинство базовых физических теорий, а величины, описывающие гравитационное поле, становится или бесконечно большими, или неопределенными. И если у обычной черной дыры эта область — вообще говоря точка в ее центре, то у заряженной она может быть искажена, а у двух противоположно заряженных черных дыр они и вовсе могут соединяться мостом.
Вуаля: мы получили червоточину, используя только то, что действительно может существовать.
Но у этой кротовой норы, созданной с помощью заряженных черных дыр, есть две проблемы. Во-первых, она все еще нестабильна, и если что-то или кто-то на самом деле попытается ее использовать, то она развалится. Вторая проблема заключается в том, что две противоположно заряженные черные дыры будут притягиваться друг к другу как гравитационными, так и электрическими силами, и если они сольются, то вы просто получите одну большую нейтрально заряженную и совершенно бесполезную черную дыру.
Игра на космических струнах
Таким образом, чтобы все это работало, нам нужно убедиться, что две заряженные черные дыры находятся в безопасности, достаточно далеко друг от друга, и при этом туннель червоточины может оставаться открытым. Потенциальное решение этой новой задачи — космические струны.
Космические струны — это теоретические дефекты в ткани пространства-времени, похожие на трещины, которые образуются при замерзании льда. Эти космические остатки образовались в первые доли секунды после Большого взрыва. Это действительно экзотические объекты, не шире протона, но всего дюйм их длины перевешивает гору Эверест. Вы никогда не захотите встретиться с ними, ибо они разрежут вас пополам, как космический световой меч, но вам не нужно сильно беспокоиться, поскольку мы даже не уверены, что они существуют, и никогда не видели их во вселенной.
Тем не менее, нет никаких причин, по которым они не могут существовать, так что мы не сильно лукавим, используя их для создания устойчивых кротовых нор.
Бесконечный провал на схеме и есть гравитационная сингулярность.
Когда дело доходит до червоточин, то у космических струн есть одно очень полезное свойство: огромная инертность. Другими словами, им действительно не нравится, когда их толкают. Если вы пронизываете червоточину космической струной и позволяете ей проходить вдоль внешних краев черных дыр, то натяжение струны мешает им притягиваться друг к другу. Говоря простым языком, космические струны тут выступают как стальные тросы, которые крепятся к берегам и удерживают мост от падения.
Наращиваем стабильность
Одна космическая струна решает одну из проблем — удерживает черные дыры в определенных местах, что позволяет входу и выходу из кротовой норы быть открытыми. Но она не предотвращает разрушение самой червоточины, если вы действительно решите ее использовать. Итак, давайте добавим еще одну космическую струну, также пронизывающую кротовую нору, но при этом проходящую и через нормальное пространство между этими двумя черными дырами, образуя своеобразную петлю.
Когда космические струны замыкаются в петлю, они, теоретически, начинают сильно вибрировать. Эти вибрации перемешивают саму ткань пространства-времени вокруг них, и при правильной настройке вибрации могут привести к тому, что энергия пространства в их окрестностях станет отрицательной, эффективно действуя как отрицательная масса внутри червоточины, потенциально стабилизируя ее.
Но сначала нам нужно найти несколько космических струн и зарядить парочку черных дыр.
Процесс возбуждения плазмы может достичь 150%, что делает черные дыры в разы эффективнее любой электростанции на Земле.
Что даст человечеству изучение процесса добычи энергии от черных дыр?
Осталось дело за малым – придумать, как осуществить полет до черной дыры и разместить что-то в ее эргосфере, не попав за горизонт событий. В ближайшем будущем человечество едва ли сможет добывать энергию подобным способом, но это не означает, что исследования бесполезны.
Современные теории по добыче энергии из черных дыр
Расчеты Пенроуза показали, что если частица разделится внутри эргосферы на две части, одна из которых упадет в горизонт событий, а другая ускользнет от гравитационного притяжения черной дыры, то энергия, выделяемая удаляющейся частицей, может быть извлечена. Но для реализации процесса необходимо, чтобы две новорожденные частицы обладали скоростью, превышающей половину скорости света, вот только такие события настолько редки, что это не позволит получить значительные объемы энергии.
В 2020 году ученые из университета Глазго смогли найти способ продемонстрировать эффект, описанный Пенроузом и Зельдовичем. Они заменили лучи света звуковыми волнами, ведь такой эксперимент намного проще провести в лабораторных условиях. Ученые создали систему с кольцом динамиков, которая скручивает звуковые волны, которые затем направляются к вращающемуся звукопоглотителю, сделанному из пены. Микрофоны спрятанные за этим диском, фиксируют сигналы, прошедшие через диск, который медленно увеличивает скорость вращения.
Микрофоны экспериментальной установки
Ученые смогли расслышать изменение частоты и амплитуды звуковых волн, прошедших через диск, что подтверждает теорию Пенроуза и Зельдовича верна. Сначала звук затих и перестал быть слышен, а потом вернулся, и его амплитуда была на 30% больше, чем у изначального звука, вышедшего из динамиков.
Ученые активно ищут и другие механизмы по добыче энергии.
Стивен Хокинг выдвинул гипотезу, что черные дыры могут высвобождать энергию за счет теплового излучения. Для подтверждения необходимы наблюдения, но температуры известных астрономам черных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было зафиксировать – массы дыр слишком велики.
Еще одним механизмом извлечения энергии из вращающейся черной дыры, основанным на электромагнитном взаимодействии, является процесс Блэнфорда-Знаека.
Что говорит о черных дырах наука
Многие видели черные дыры в кино и, может, что-то даже о них читали, но мало кто хорошо разбирается в том, как они устроены и работают. Немного расскажем об этом.
Черная дыра – это область пространства-времени, сила гравитации в которой настолько велика, что покинуть ее не могут никакие объекты или волны (в том числе свет, а значит, увидеть саму черную дыру невозможно). Существование черной дыры подтверждает только тот факт, что какое-то количество небесных тел кружится вокруг невидимой зоны. Черная дыра изнутри не пуста, она заполнена огромной массой материи, сжатой в небольшом объеме, что и создает огромную силу притяжения.
Рассчитать характеристики черных дыр при помощи уравнений невозможно, так как там перестают действовать все известные человечеству законы физики. Черные дыры могут быть разных размеров – от маленьких до сверхмассивных. В центре Млечного пути, нашей галактики, расположена сверхмассивная черная дыра – Стрелец А* (SgrA*), массой около 2-5 млн солнечных масс.
Первая фотография черный дыры (галактика Мessier 87)
Читайте также: