Во Вселенной темной материи в пять раз больше, чем обычной материи. Но насколько это важно для черных дыр?
«Одного дня достаточно, чтобы сделать нас немного больше или, в другой раз, немного меньше». - Пауль Клее
Верьте или нет, но приведенная выше цитата применима как к черным дырам, так и к отдельному человеку. В некоторые дни черная дыра может значительно вырасти, в то время как в другие дни она может терять больше массы и энергии, чем приобретать! Вопрос этой недели «Спросите Итана» предоставлен Майклом Бутом и затрагивает не только этот аспект черных дыр, но и другую, более темную сторону:
Поскольку темная материя взаимодействует с барионной материей только гравитационно, и поскольку темной материи в 5 раз больше, чем барионной материи, 5/6 черной дыры должна составлять темная материя. Говорит ли это нам что-нибудь полезное о черных дырах?
В подобном вопросе нужно учитывать ряд моментов, поэтому давайте начнем с рассмотрения того, что такое черная дыра на самом деле, и с того факта, что (к счастью) наша планета таковой не является.
Если взять такую планету, как Земля, то огромное количество гравитационной энергии удерживает таких существ, как мы, на ее поверхности. Чтобы вырваться из гравитационного поля нашей планеты, нам нужно было бы достичь огромной скорости: около 11 200 м/с (25 000 миль в час). Гравитационное поле в фотосфере Солнца намного сильнее, и нам нужно двигаться со скоростью около 618 000 м/с (1 382 000 миль в час), чтобы избежать его гравитационного притяжения. Эти скорости высоки, но достижимы при правильных условиях.
Но если бы у нас было достаточно массы в достаточно небольшой области пространства, скорость убегания, которой нужно было бы достичь, могла бы быть больше 299 792 458 м/с (670 616 629 миль в час)., то есть скорость света в вакууме. Поскольку ничто не может двигаться быстрее этой скорости, ничто не сможет убежать от нее, даже свет. Следовательно, у вас будет черная дыра.
Снаружи мы не можем сказать, была ли черная дыра первоначально составлена из протонов и электронов, нейтронов, темной материи или даже антиматерии. Есть - насколько мы можем судить - только три свойства, которые мы можем наблюдать у черной дыры снаружи: ее масса, ее электрический заряд и его угловой момент, который является мерой того, как быстро он вращается. Таким образом, если мы хотим знать, была ли черная дыра изначально сделана из нормальной (барионной) материи или из темной материи, мы должны обратить внимание на две вещи:
- Астрофизика того, как формируются черные дыры, и
- Наука о том, как они набирают и теряют массу, когда они уже там.
Начнем с того, откуда они взялись.
Когда вы смотрите на молодое скопление звезд в небе, вы, скорее всего, увидите что-то вроде этого: ряд очень заметных ярких голубых звезд. Если вы присмотритесь, вы обнаружите, что, хотя эти голубые звезды самые горячие и яркие, они на самом деле не представляют большинство звезд. На каждый сформировавшийся голубой гигант приходятся сотни заурядных звезд, таких как наше собственное Солнце или более тусклое; на самом деле, только 5% звезд, когда-либо образовавшихся во Вселенной, больше и ярче нашей родительской звезды!
Но именно эти самые большие, самые горячие и яркие звезды имеют отношение к черным дырам, хотя они и самые редкие из всех. Видите ли, причина, по которой они такие яркие, в том, что они сжигают свое ядерное топливо с невероятно высокой скоростью. Звезда, подобная нашему Солнцу, может прожить 12 миллиардов лет, прежде чем в ее ядре закончится топливо, но звезда в десять раз массивнее проживет всего 0.1%пока. Теперь учтите, что самые массивные известные нам звезды на самом деле в сотни раз массивнее нашего Солнца, и вы начнете понимать, насколько недолговечными могут быть эти гиганты.
Конечно, они могут некоторое время сжигать некоторые из своих продуктов плавления - они могут сплавлять гелий в углерод, затем углерод в кислород, неон и магний, затем кислород в кремний и, наконец, кремний в железо - с ядро звезды сжимается и нагревается на каждой из этих стадий.
Именно эти новые процессы горения удерживают звезду от гравитационного коллапса, но последней каплей является железо. Когда происходит эта последняя стадия, нет никакой энергии, которую можно было бы получить, сплавляя железо с чем-то более тяжелым, поэтому ядро звезды просто разрушается под действием собственной гравитации. Ни атомы, ни атомные ядра не могут устоять под действием гравитации, и в то время как внешняя часть звезды взрывается эффектной сверхновой, внутреннее ядро коллапсирует в черную дыру.
Итак, изначально, когда они только формируются, черные дыры в значительной степени состоят из 100% нормальной (барионной) материи, и почти 0% темная материя. Помните, что темная материя взаимодействует только гравитационно, в отличие от обычной материи, которая взаимодействует посредством гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных сил. Все это - причудливый способ сказать, что когда нормальная материя вступает в контакт с другой нормальной материей, она «расплескивается», что означает, что она может склеиваться, слипаться, обмениваться импульсом и накапливать еще больше нормальной материи, когда это происходит. Темная материя, с другой стороны, не «плещется» ни с нормальной материей, ни с другой темной материей. Вот почему, когда мы смотрим на галактики и скопления галактик, мы представляем спиральные или эллиптические галактики, в которых обычная материя ограничена относительно небольшой областью пространства, но они окружены ореолами темной материи, которые простираются, возможно, в тысячи раз объем нормальной материи.
Да, в больших галактиках и скоплениях всего темной материи, возможно, в пять раз больше, чем обычной материи, но это суммируется по всему огромному гало. Для области пространства, о которой мы говорим, мы находимся во внутренностях галактики, где нормальная материя полностью доминирует над темной материей. Рассмотрим только область пространства, в которой мы находимся: вокруг нашего Солнца. Если бы мы нарисовали сферу радиусом в 100 а. барионная масса - нормальная материя - того, что будет находиться внутри нашей сферы, будет доминировать над нашим Солнцем и будет весить около 2 × 10^30 кг. С другой стороны, общее количество темной материи в той же сфере? Только около 1 × 10 ^ 19 кг, или всего 0,0000000005% массы обычного вещества в том же регионе.
Для сравнения, это примерно столько же, сколько содержится в астероиде Юнона, изображенном ниже цифрой «3», на фоне Луны Земли для масштаба.
Теперь, говорим ли мы об этих отдельных черных дырах, расположенных в тысячах световых лет от галактического центра, или о сверхмассивных, которые образовались в результате слияния многих других черных дыр вблизи галактического ядра, они все началось примерно с 100% нормальной материи и 0% темной материи
Но со временем они питаются обоими.
Вопреки распространенному мнению, черные дыры ничего не «всасывают»; они просто оказывают гравитационную силу на расстоянии. Что касается темной материи, которая в противном случае прошла бы мимо, если гравитационная сила занесет ее в пределы горизонта событий, черная дыра «съест» ее, в результате чего ее масса возрастет. Но для обычной материи, находящейся в непосредственной близости от черной дыры, те же свойства, которые заставляют ее «расплескиваться», также заставляют ее излучать, разрушаться и терять импульс. Это также заставляет его взаимодействовать с аккреционным диском, испытывая трение, теряя импульс и увеличивая количество вещества, которое будет проглочено. Другими словами, даже когда нормальная материя просто проходит мимо, часть ее поглощается, чего не происходит с темной материей.
Если вы хотите вырастить свою черную дыру, самый простой способ сравнить, сколько нормальной материи съедается, и сколько съедается темной материи, - игнорировать этот эффект и просто сравнивать нормальную материю. плотность материи против плотности темной материи. Для нашего местоположения плотность обычной материи составляет 1,2 × 10 ^ 28 кг на кубический световой год, в то время как плотность темной материи все еще довольно велика: 2,5 × 10 ^ 27 кг на кубический световой год., или около 20% того, что составляет нормальную материю. Это не так уж и плохо!
Но вы должны помнить, что мы находимся на окраине Млечного Пути; галактический центр - совсем другая история.
Там темной материи еще больше, потому что плотность гало темной материи должна увеличиваться по мере нашего продвижения к галактическому центру. Тем не менее, он не должен увеличиваться настолько сильно. Здесь существуют огромные неопределенности, но даже самое оптимистичное увеличение будет примерно в 10 000 раз. плотность обычной материи в галактическом центре примерно в 50 миллионов раз больше, чем вблизи нас. Хотя темная материя может быть ответственна за до 16% роста черной дыры там, где мы находимся, она может быть ответственна только за 0,004% из рост черной дыры в галактическом центре.
И это суровая реальность:
- Черные дыры формируются почти полностью из обычной материи, независимо от того, где они формируются.
- Те, которые формируются там, где плотность материи низкая - например, там, где мы находимся - , будут иметь значительную часть этого роста за счет темной материи, но этот рост (в среднем) пренебрежимо мал по сравнению с начальная масса черной дыры.
- Те, которые формируются там, где плотность материи высока - например, вблизи галактического центра - , испытают значительный рост, но по крайней мере 99,996% этого роста происходит за счет нормальной материи, а не темной материи.
Такова печальная правда, что темная материя слишком мала для компонента формирования и роста черных дыр, чтобы иметь какое-либо значение, и, следовательно, не может многому нас научить о темной материи.
Некоторым из вас может быть интересно, что черные дыры также теряют массу: это происходит из-за излучения Хокинга. Хотя это определенно происходит, этот процесс настолько медленный, что им можно полностью пренебречь в этих временных масштабах. Черной дыре с массой Солнца потребуется 10^67 лет, чтобы испариться, а это означает, что она теряет меньше массы электрона за год из-за излучения Хокинга, в то время как самым большим сверхмассивным черным дырам во Вселенной потребуется 10^100 лет, чтобы испариться, и они потеряют массу меньше одного электрона, когда весь период времени Вселенная, существовавшая до сих пор (с момента Большого Взрыва), проходит еще раз. Так что для тех из вас, кто надеется на потерю массы, я ненавижу вас разочаровывать, но вам придется подождать, пока Вселенная не станет пустой из-за темной энергии, а черные дыры не будут выброшены из своей галактики из-за гравитационных взаимодействий до скорости -распад приближается к скорости роста от пожирающей материи.
И вот он: количественный ответ на вопрос, состоят ли черные дыры из темной материи или нет. В лучшем случае они могут состоять только из примерно 0,004% темной материи, и это самое оптимистичное число, применимое только к самым массивным! Спасибо за отличный вопрос, Майкл, и если у вас есть вопрос или предложение для следующей рубрики «Спросите Итана», присылайте его. Никогда не знаешь заранее; следующий может быть вашим!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!