Если звезда вращается, а затем коллапсирует, что происходит с ее угловым моментом?
Самый распространенный способ образования черной дыры во Вселенной - это когда массивная звезда достигает конца своей жизни и взрывается катастрофической сверхновой. Однако в то время как внешние части звезды разлетаются на части, внутреннее ядро коллапсирует, образуя черную дыру, если звезда-прародитель достаточно массивна. Но большинство настоящих звезд, включая наше Солнце, вращаются. Поэтому - поскольку угловой момент всегда сохраняется - они не должны коллапсировать в одну точку. Как это все работает? Это то, что хочет знать наш сторонник Patreon Аарон Вайс, спрашивая:
Как сохраняется угловой момент, когда звезды коллапсируют в черные дыры? Что означает вращение черной дыры? Что на самом деле крутится? Как сингулярность может вращаться? Есть ли «ограничение скорости» для этой скорости вращения и как вращение влияет на размер горизонта событий и области непосредственно вокруг него?
Все это хорошие вопросы. Давай выясним.
Когда Эйнштейн впервые выдвинул свою теорию гравитации, общую теорию относительности, он установил неразрывную связь между пространством-временем, которое представляет ткань нашей Вселенной, и всей материей и энергией, присутствующими в ней. То, что мы воспринимали как гравитацию, было просто искривлением пространства и тем, как материя и энергия реагировали на это искривление, двигаясь в пространстве-времени. Материя и энергия сообщают пространству-времени, как искривляться, а искривленное пространство сообщает материи и энергии, как двигаться.
Почти сразу же Эйнштейн понял, что эта картина сопровождалась странным следствием, которое было трудно согласовать с нашей Вселенной: заполненная материей Вселенная была нестабильной. Если бы у вас было в среднем пространство, заполненное однородным количеством неподвижной материи, независимо от формы, размера или количества, оно неизбежно схлопнулось бы, образовав идеально сферическую черную дыру.
Как только вы соберете материю с достаточным количеством массы в достаточно маленьком объеме, в определенном месте сформируется горизонт событий. Сферическая область пространства, радиус которой определяется количеством массы внутри нее, будет испытывать такую сильную кривизну, что все, что проходит внутрь ее границы, не сможет выбраться наружу.
За пределами этого горизонта событий будет казаться, что существует просто экстремальная область, где гравитация очень сильна, но из нее не может излучаться ни свет, ни материя. Однако все, что падает внутрь, неизбежно попадает в самый центр этой черной дыры: в сингулярность. В то время как законы физики нарушаются в этой точке - некоторые физики нахально называют сингулярности местами где “Бог делит на ноль” - никто не сомневается что вся материя и излучение которые проходят внутри горизонта событий направляются к этой точечной области космос.
Я уже слышу возражения. В конце концов, реальная Вселенная работает не так, как эта наивная картина гравитационного коллапса.
- Гравитационная сила не единственная во Вселенной: ядерные силы и электромагнетизм также играют роль, когда дело касается материи и энергии.
- Черные дыры образуются не в результате коллапса однородного распределения материи, а скорее в результате взрыва ядра массивной звезды, когда ядерный синтез больше не может продолжаться.
- И, возможно, самое главное, все звезды, которые мы когда-либо открывали, вращаются, а угловой момент всегда сохраняется, поэтому черные дыры тоже должны вращаться.
Итак, давайте сделаем это: давайте перейдем от области упрощенного приближения к более реалистичной картине того, как на самом деле работают черные дыры.
Все звезды вращаются. Наше Солнце, вращающееся относительно медленно, совершает полный оборот на 360° за время от 25 до 33 дней, в зависимости от того, какую именно солнечную широту вы отслеживаете. Но наше Солнце огромно и имеет очень низкую плотность, а во Вселенной есть куда более экстремальные объекты с точки зрения малых физических размеров и больших масс. Точно так же, как вращающийся фигурист ускоряется, когда сводит руки и ноги, астрофизические массы вращаются быстрее, если вы уменьшаете их радиус.
Если бы Солнце было белым карликом - с такой же массой, но с физическим размером Земли - , оно вращалось бы каждые 4 минуты.
Если бы он стал нейтронной звездой - с той же массой, но радиусом 20 км - , он бы вращался каждые 2,4 миллисекунды: согласуется с тем, что мы наблюдаем для самых быстрых пульсаров.
Ну, если бы наша звезда (или любая звезда) коллапсировала в черную дыру, нам все равно пришлось бы сохранять угловой момент. Когда что-то вращается в этой Вселенной, от этого нельзя просто избавиться, точно так же, как вы не можете создавать или уничтожать энергию или импульс. Он должен куда-то идти. Когда какое-либо скопление материи коллапсирует до радиуса, меньшего, чем радиус горизонта событий, этот угловой момент также оказывается внутри него.
Это нормально! Эйнштейн выдвинул свою общую теорию относительности в 1915 году, и всего несколько месяцев спустя Карл Шварцшильд нашел первое точное решение: для точечной массы, такой же, как у сферической черной дыры. Следующий шаг в моделировании этой проблемы более реалистичным способом - рассмотреть, что, если черная дыра также имеет угловой момент, а не только массу - не был решен, пока Рой Керр не нашел точное решение в 1963 году.
Существуют некоторые фундаментальные и важные различия между более наивным и простым решением Шварцшильда и более реалистичным, сложным решением Керра. Вот несколько увлекательных контрастов в произвольном порядке:
- Вместо одного решения о том, где находится горизонт событий, у вращающейся черной дыры есть два математических решения: внутренний и внешний горизонт событий.
- Даже за пределами внешнего горизонта событий есть место, известное как эргосфера, где само пространство тащится со скоростью вращения, равной скорости света, а падающие туда частицы испытывают огромные ускорения.
- Существует максимально допустимое отношение углового момента к массе; если угловой момент слишком велик, черная дыра будет излучать эту энергию (через гравитационное излучение) до тех пор, пока она не станет ниже этого предела.
- И, возможно, самое интересное, сингулярность в центре черной дыры больше не точка, а одномерное кольцо, где радиус кольца определяется массой и угловым моментом черная дыра.
Все это верно для вращающейся черной дыры с момента, когда вы впервые создаете горизонт событий. Звезда с большой массой может превратиться в сверхновую, когда вращающееся ядро взорвется и сколлапсирует в черную дыру, и все это будет правдой. На самом деле, есть даже некоторая надежда, что если в нашей локальной группе взорвется сверхновая, LIGO сможет обнаружить гравитационные волны от быстро вращающейся черной дыры.
Если вы образовали черную дыру в результате слияния нейтронной звезды с нейтронной звездой или прямого коллапса звезды или газового облака, верны те же возможности. Но как только ваша черная дыра существует, ее угловой момент может постоянно меняться по мере того, как в нее падает новая материя или материал. Размер горизонта событий может расти, а размер сингулярности и эргосферы может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от углового момента новой материи. материал, который будет добавлен.
Это приводит к неожиданному поведению. В случае невращающейся черной дыры частица материи вне ее может двигаться по орбите, вылететь или упасть внутрь, но останется в той же плоскости. Однако когда черная дыра вращается, она перемещается по всем трем измерениям, где она заполняет торообразную область, окружающую экватор черной дыры.
Также существует важное различие между математическим решением и физическим решением. Если бы я сказал вам, что у меня есть (квадратный корень из 4) апельсинов, вы бы решили, что у меня было 2 апельсина. Вы могли бы так же легко математически заключить, что у меня было -2 апельсина, потому что квадратный корень из 4 может быть равен -2 так же легко, как и +2. Но в физике есть только одно осмысленное решение. Однако, как давно заметили ученые:
…вы не должны физически доверять внутреннему горизонту или внутренней эргоповерхности. Хотя они, безусловно, существуют как математические решения уравнений Эйнштейна для точного вакуума, есть веские физические основания подозревать, что область на внутреннем горизонте и внутри него, которая, как можно показать, является горизонтом Коши, крайне нестабильна - даже в классическом - и вряд ли сформируется при каком-либо реальном астрофизическом коллапсе.
Теперь, когда мы, наконец, впервые наблюдали горизонт событий черной дыры, благодаря невероятному успеху телескопа Event Horizon, ученые смогли сравнить свои наблюдения с теоретическими предсказаниями. Запустив множество симуляций, подробно описывающих, какими будут сигналы черных дыр с различными массами, спинами, ориентациями и аккрецирующими потоками материи, они смогли найти наилучшее соответствие тому, что они видели. Хотя есть некоторые существенные неопределенности, черная дыра в центре M87 выглядит следующим образом:
- вращается со скоростью 94% от максимальной скорости,
- с одномерной кольцевой особенностью диаметром ~118 а.е. (больше орбиты Плутона),
- с осью вращения, направленной от Земли на ~17°,
- и что все наблюдения согласуются с черной дырой Керра (которая предпочтительнее черной дыры Шварцшильда).
Возможно, самый важный вывод из всего этого заключается в том, что во вращающемся пространстве-времени само пространство действительно может двигаться без каких-либо ограничений скорости. Только движение материи и энергии в пространстве ограничено скоростью света; само пространство не имеет такого ограничения скорости. В случае вращающейся черной дыры за горизонтом событий есть область пространства, где пространство затягивается вокруг черной дыры со скоростью, превышающей скорость света, и это нормально. Материя по-прежнему не может двигаться в этом пространстве со скоростью, превышающей предельную космическую скорость, и все это согласуется как с теорией относительности, так и с тем, что мы наблюдаем.
По мере того, как появляется все больше изображений черных дыр и появляется все больше и больше улучшенных наблюдений, мы надеемся узнать еще больше о физике реальных вращающихся черных дыр. Но до тех пор знайте, что наша теория и наблюдения ведут нас в направлении, которое является чрезвычайно глубоким, самосогласованным и, прежде всего, наилучшим приближением к реальности, которое у нас есть в настоящее время.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!