Шансы невелики, но последствия будут разрушительными. Вот что может случиться и как этого избежать.
Ключевые выводы
- Только в Млечном Пути родились сотни миллиардов звезд, а это значит, что существуют сотни миллионов черных дыр, которые нужно искать.
- Так же, как и звезды, черные дыры движутся в пространстве, но в отличие от звезд они не излучают свет, поэтому «незаметная» черная дыра может незаметно подкрасться к нам.
- Последняя катастрофа, которую только можно вообразить, - это столкновение черной дыры с Землей. Даже если это маловероятно, можно многому научиться, просто поразмыслив над проблемой.
Там, где-то во Вселенной, нас ждет наша потенциальная гибель. Хотя звезды в ночном небе кажутся неподвижными, как и наше Солнце, все они участвуют в одном и том же гравитационном танце, который удерживает нас на орбите вокруг центра Млечного Пути. Каждая звездная система находится в движении относительно Солнца, и периодически - несколько раз в миллион лет или около того - один из этих объектов опасно приближается к нашей Солнечной системе. Когда это происходит, это обычно возмущает некоторых членов нашего облака Оорта, что приводит к потенциальному шквалу комет в будущем.
Хотя именно это и происходит чаще всего, на самом деле могут последовать худшие результаты. Звезды могли проходить через Солнечную систему, влияя на орбиты планет. Другие объекты, такие как черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики и планеты-изгои, могут делать то же самое, расталкивая объекты, как в космической игре в бильярд. В худшем случае вы даже можете представить, как черная дыра ударит по Земле. Шансы на это могут быть маловероятными в любой момент времени, но астрономические временные рамки очень велики, и у Вселенной есть много-много возможностей создать даже крайне маловероятные катастрофы. Вот что произойдет, когда черная дыра столкнется с Землей, и каковы наши шансы что-то с этим сделать.
70 000 лет назад пара коричневых карликов, известная как звезда Шольца, прямо на пороге начала синтеза водорода в своем ядре прошла через облако Оорта Солнечной системы. Однако, в отличие от иллюстрации, человеческому глазу он все равно не был бы виден; сегодня она находится примерно в 20 световых годах от нас. Насколько нам известно, ни одна черная дыра не находится так близко.
Каковы шансы, что нас что-нибудь заденет?
Начнем с хороших новостей: несмотря на огромное количество черных дыр во Вселенной, в том числе и в нашей собственной галактике, вероятность того, что одна из них ударит по Земле, невероятно мала. По оценкам, в галактике Млечный Путь насчитывается 400 миллиардов звезд, и хотя отдельные звезды сами по себе велики, расстояния между звездами огромны по сравнению не только с их размерами, но даже с размерами звездных систем, которые они закрепляют.
Звезда, подобная нашему Солнцу, имеет диаметр около 1,4 миллиона километров, а планета Земля вращается вокруг нашего Солнца на расстоянии около 150 миллионов километров (что мы определяем как одну астрономическую единицу, или A. U.): около в 100 раз дальше. Пояс Койпера за пределами орбиты Нептуна примерно в 50 раз дальше: для его нанесения на карту требуется несколько миллиардов километров, а облако Оорта существует примерно в тысячу раз дальше, чем до пояса Койпера, измеряемого в триллионах километров. или даже десятки триллионов километров.
Последняя цифра - десять триллионов километров - примерно равна одному световому году. Для сравнения, ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии чуть более 4,2 световых года; световые годы обычно используются для описания расстояний между звездами.
Карта звездной плотности в Млечном Пути и окружающем небе, четко показывающая Млечный Путь, большие и малые Магеллановы Облака и, если присмотреться, NGC 104 слева от SMC, NGC 6205 чуть выше и левее ядра галактики, а NGC 7078 чуть ниже. В общей сложности Млечный Путь содержит около 200-400 миллиардов звезд по всей своей дискообразной протяженности.
Исходя из количества звезд и того, как они распределены по нашей галактике, что благодаря достижениям миссии «Гайя» у нас теперь есть экстраординарная перепись, мы знаем множество фантастических фактов о нашей близлежащая Вселенная.
- Звезды в нашем районе обычно движутся относительно нас со скоростью около 20 км/с, или около 10% нашей скорости вокруг галактического центра.
- Почти все звезды на нашем расстоянии от галактического центра движутся по эллипсам, которые не особенно эксцентричны: они довольно близки к окружностям.
- Кроме того, почти все они вращаются вокруг (тонкого) галактического диска на нашем расстоянии; очень немногие находятся в центральной выпуклости или в более крупном сфероидальном галактическом гало.
- И около половины этих звезд существуют как часть многозвездной системы, из которых только примерно половина похожа на нашу Солнечную систему: с одной-единственной звездой в одиночестве.
Если мы посчитаем, то сможем вычислить в среднем, сколько времени требуется звезде, чтобы оказаться на определенном расстоянии от нашего Солнца. Результаты интересные, но, к счастью, не пугающие.
График того, как часто звезды Млечного Пути могут проходить на определенном расстоянии от нашего Солнца. Это логарифмический график с расстоянием по оси Y и временем, которое обычно требуется ждать, пока такое событие не произойдет по оси X.
Наша Солнечная система существует около 4 лет.5 миллиардов лет, или чуть левее «10» по оси абсцисс на графике выше. Раз в несколько сотен тысяч лет звезда подходит достаточно близко, чтобы повлиять на наше облако Оорта, а самой последней из них является звезда Шольца, сделавшая это около 70 000 лет назад.
Однако маловероятно, чтобы какая-либо звезда когда-либо подходила достаточно близко, чтобы сбить с курса другие крупные тела в нашей Солнечной системе. Самое близкое, что мы можем ожидать, чтобы приблизиться к другой звезде за все время существования нашей планеты, составляет около ~ 500 а.е. далеко, или примерно в десять раз больше расстояния от Солнца до Плутона. В частности, за всю историю нашей Солнечной системы было только:
- ~1% вероятность того, что звезда подойдет достаточно близко, чтобы разрушить наш пояс Койпера,
- ~0,01% шанс, что звезда подойдет достаточно близко, чтобы разрушить Юпитер или Сатурн,
- и вероятность ~0,0001%, или около 1 на миллион, что звезда подойдет достаточно близко, чтобы гравитационно разрушить Землю,
- с вероятностью ~0,000001%, или 1 из 100 000 000, звезды действительно столкнутся с Землей.
Учитывая, что планеты и пояс Койпера, по-видимому, не изменились по сравнению с тем, что, как мы предполагаем, было нашей первоначальной конфигурацией около 4,5 миллиардов лет назад, эти цифры выдерживают проверку на запах. Самая большая опасность для Земли исходит от проходящей мимо звезды, разрушающей наше облако Оорта и посылающей в нашу сторону потенциального убийцу планет. Однако в далеком будущем почти наверняка гравитационный танец объектов в нашей галактике приведет к окончательному выбросу большинства планет, содержащихся в звездных системах.
Анатомия очень массивной звезды на протяжении всей ее жизни, кульминацией которой является сверхновая типа II, когда в ядре заканчивается ядерное топливо. Заключительный этап синтеза обычно представляет собой сжигание кремния, при котором железо и железоподобные элементы в ядре образуются лишь на короткое время, прежде чем произойдет вспышка сверхновой. Если ядро этой звезды достаточно массивное, при коллапсе ядра образуется черная дыра.
А что насчет черных дыр?
Вы должны понимать, что все эти «разговоры о звездах» не просто для забавы, а скорее настраивают нас на то, чтобы вести такую же дискуссию о черных дырах. Конечно, черные дыры труднее обнаружить, потому что они не излучают свет, но физика их существования и их движения по галактике идентична. Причина проста:
практически каждая черная дыра во Вселенной, особенно в нашей части галактики, возникла из ранее существовавшей звезды.
Да, сверхмассивные черные дыры существуют, но они почти исключительно находятся в центрах галактик; мы в десятках тысяч световых лет от нас.
Нет, нет никаких наблюдательных данных о первичных черных дырах, которые были бы более многочисленными и меньшими по массе, и некоторые серьезные теоретические трудности противоречат их существованию.
Вместо этого два наиболее распространенных способа создания черной дыры во Вселенной - либо создать достаточно массивную звезду, чтобы ее ядро разрушилось и образовала черную дыру, либо столкнуть две нейтронные звезды и сливаются выше некоторого порога массы, снова образуя черную дыру.
Только популяции черных дыр, обнаруженные в результате слияния гравитационных волн (синий) и рентгеновского излучения (пурпурный). Как видите, нигде выше 20 солнечных масс нет заметного разрыва или пустоты, но ниже 5 солнечных масс источников не хватает. Это помогает нам понять, что слияния нейтронных звезд и черных дыр вряд ли приведут к образованию самых тяжелых элементов из всех.
Как только мы это поймем, мы сможем оценить количество черных дыр по отношению к количеству звезд. Приблизительно 0,12% всех когда-либо сформировавшихся звезд, или примерно 1 из 800, достаточно массивны, чтобы, когда они закончат свой жизненный цикл, они образовали черную дыру звездной массы: больше, чем примерно 3 массы Солнца. но не более нескольких сотен солнечных масс, максимум. Вполне вероятно - хотя некоторые утверждают, что это великодушие - что, возможно, слияния нейтронных звезд с нейтронными звездами, наблюдаемые детекторами гравитационных волн, такими как LIGO и Virgo, могут объяснить столько же черных дыр, сколько и эти массивные звезды. хотя они были бы исключительно в нижней части диапазона массы.
Даже при оптимистичных оценках это будет означать, что прямо сейчас через Млечный Путь путешествует примерно 1 миллиард черных дыр, в отличие от 400 миллиардов звезд. Это невероятное количество черных дыр, с которыми приходится считаться, но даже при том, что астрономические временные рамки астрономически велики, у нас все еще крайне низкие шансы испытать взаимодействие с черной дырой. На самом деле, если мы рассматриваем только столкновение между черной дырой и Землей, шансы ничтожно малы: примерно 1 к 40 миллиардам за всю историю Земли и примерно 1 к 10 20(или, записано, 1-в-100, 000, 000, 000, 000, 000, 000) с каждым годом, или ваши шансы выиграть джекпот лотереи три раза в ряд.
Эта иллюстрация приливного разрушения показывает судьбу массивного большого астрономического тела, которому не повезло подойти слишком близко к черной дыре. Он будет растягиваться и сжиматься в одном измерении, измельчая его, ускоряя его материю и попеременно пожирая и выбрасывая образующиеся из него обломки.
Столкновения - не единственная опасность
Конечно, черной дыре не обязательно сталкиваться с вами, чтобы представлять угрозу. Если он подойдет к вам достаточно близко, он может:
- гравитация разрушит вашу орбиту,
- полностью изгнать вас из вашей звездной системы,
- или даже превратить вас в спагетти, когда приливные силы полностью разорвут планету на части.
Это вещи, которых следует опасаться, но, к счастью, черная дыра должна подойти очень близко, чтобы вызвать любую из этих проблем.
Черная дыра должна подойти достаточно близко к Земле, чтобы создать гравитационную силу, сравнимую с силой Солнца, но помните, что гравитация падает как единица на квадрате расстояния. Даже черная дыра, которая в 100 раз массивнее Солнца - массивнее, чем 99% черных дыр в галактике, - должна находиться на расстоянии около 10 астрономических единиц от Земли, чтобы конкурировать с Солнцем с точки зрения гравитационной силы. Это более рискованно, так как вероятность того, что это произойдет за всю историю нашей Солнечной системы, составляет примерно 1 из 400 000 000, но это всего в 100 раз более вероятно, чем прямое попадание черной дыры. (Другие варианты, выброс или спагеттификация, находятся между этими двумя оценками.)
Если бы черная дыра столкнулась с Землей, мы бы не получили никакого предупреждения от самой черной дыры, но она искажала бы и искажала свет от фоновых объектов, обнаруживая свое присутствие.
Можем ли мы узнать, приближается ли опасность?
«По крайней мере, - можете подумать вы, - если звезда войдет в нашу Солнечную систему и серьезно преобразит наш космос, мы это увидим». Но есть ли способ получить предупреждение о приближении черной дыры?
Ответ, как ни странно, абсолютно да. Черные дыры могут не светиться, но они притягиваются так же сильно, как и все объекты с такой же массой. Кроме того, поскольку черные дыры не являются протяженными объектами, занимающими большой объем, как звезды, а схлопываются в очень маленькие области пространства, скрытые за крошечным горизонтом событий, они сильно искажают свет от объектов, которые появляются за ними. это относительно нашей точки зрения.
Это означает, что у нас есть три способа обнаружить присутствие черной дыры, которая подойдет достаточно близко к нашему району.
- Это может вызвать сильное гравитационное линзирование, когда фоновые объекты, находящиеся рядом с той же линией прямой видимости, будут изгибаться, растягиваться и искажаться светом легко распознаваемым образом.
- Это может привести к слабому гравитационному линзированию, когда фоновые объекты, находящиеся дальше, будут иметь искаженную видимую форму таким образом, что это никогда не произойдет естественным образом.
- И это может вызвать микролинзирование, когда проходящая черная дыра вместо того, чтобы заслонить фоновую звезду, усилит ее свет и вызовет временное, но огромное осветление; безошибочная подпись даже невидимой массы.
Когда происходит гравитационное микролинзирование, фоновый свет от звезды искажается и увеличивается, когда промежуточная масса перемещается поперек или вблизи линии обзора звезды. Эффект промежуточной гравитации искривляет пространство между светом и нашими глазами, создавая особый сигнал, который показывает массу и скорость планеты, черной дыры или другого массивного объекта, о котором идет речь.
Есть ли способ спасти себя?
Во многом очевидно, что мы выиграли в космическую лотерею, просто появившись на свет и заставив жизнь выживать и процветать на нашей планете почти все время ее существования. Что же тогда произойдет, если мы обнаружим, что вот-вот проиграем в решающей космической лотерее, и обнаружим, что черная дыра летит прямо на нас? Несмотря на большие шансы, это астрономически возможно, и, учитывая тот факт, что в Млечном Пути 400 миллиардов звезд, вероятность 1 из 400 миллионов означает, что черная дыра, вероятно, «захватила» 1000 или около того звездных систем над нашей планетой. существование.
К сожалению, единственным выходом на тот момент было бы принять решение Ludacris и уйти с дороги. Мы не могли сдвинуть Землю сами по себе; нам пришлось бы сдвинуть всю Солнечную систему, чтобы избежать столкновения с черной дырой, и единственное, что может существенно сдвинуть Солнечную систему, - это, к сожалению, гравитационное взаимодействие с другой большой массой. Другими словами, единственное, что может спасти нас от приближающейся черной дыры, - это то самое явление, которого мы пытаемся избежать: значительное гравитационное возмущение орбит планет в нашей Солнечной системе. Если бы этот сценарий стал реальностью, единственным разумным планом действий после непрерывной цепочки миллиардов лет непрерывной жизни на нашей планете было бы либо покинуть космический корабль «Земля», либо иным образом смириться с тем, что он пойдет ко дну вместе с кораблем.