Schwarze Löcher scheinen uns etwas Fernes zu sein, über das sie manchmal Filme machen oder in Bücher schreiben. Wir denken selten darüber nach, was passieren würde, wenn ein kleines Schwarzes Loch mit einem Durchmesser von einem Millimeter auf der Oberfläche unseres Planeten erscheinen würde. Darüber - in unserem Material.
Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern: Sie sind eine Art Raumstaubsauger, die alles in ihrer Umgebung verbrauchen. Natürlich "füttern" sie, aber ihre Mägen sind klein. Das Problem tritt nicht auf, wenn sie "essen", sondern wenn sie sich nach zu viel Abendessen "übergeben". Das ist wirklich beängstigend.
Es ist eigentlich etwas komplizierter. Basierend auf der Tatsache, dass der Radius eines Schwarzen Lochs proportional zu seiner Masse ist, können einige Berechnungen durchgeführt werden. Lassen Sie uns zunächst einige der Grundlagen auffrischen.
Was ist ein Schwarzes Loch?
Ein Schwarzes Loch ist eine Region des Raums, in der die Schwerkraft so stark ist, dass selbst Licht sie nicht verlassen kann. Die Schwerkraft dort bewirkt, dass sich das Gewebe der Raumzeit biegt und an sich selbst bindet. All dies geschieht aufgrund der Kompression von Materie - meistens sind dies die Überreste eines massiven Sterns - in einer extrem kleinen Region.
Die Struktur des Schwarzen Lochs: Singularität, Ereignishorizont und Schwarzschild-Radius (der Bereich von der Singularität bis zum Ereignishorizont).
Tatsächlich können wir keine schwarzen Löcher sehen, da kein Licht aus ihnen austreten kann. Es stellt sich heraus, dass jedes Objekt, um das Schwarze Loch zu verlassen, eine höhere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit entwickeln muss, die sich wiederum mit einer Geschwindigkeit von 299 792 458 Metern pro Sekunde bewegt. Zum Vergleich: Die Fluchtgeschwindigkeit zur Überwindung der Erdgravitation beträgt nur 11,2 Kilometer pro Sekunde. Wenn wir jedoch eine Rakete von einem Planeten abfeuern würden, der so viel wie die Erde wiegt, aber nur den halben Durchmesser hat, würde die Fluchtgeschwindigkeit 15,8 Kilometer pro Sekunde betragen. Selbst wenn das Objekt die gleiche Masse hätte, wäre die Fluchtgeschwindigkeit aufgrund seiner geringeren Größe und damit höheren Dichte höher.
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Was ist, wenn wir das Objekt noch weiter verkleinern? Wenn wir die Erdmasse zu einer Kugel mit einem Radius von neun Millimetern komprimieren, erreicht die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit. Wenn diese Masse in eine noch kleinere Kugel gepresst wird, überschreitet die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit. Aber da die Lichtgeschwindigkeit die kosmische Grenze der Geschwindigkeit ist, kann nichts diese Sphäre verlassen.
Der Radius, bei dem die Masse eine Fluchtgeschwindigkeit hat, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht, wird als Schwarzschild-Radius bezeichnet. Jedes Objekt, das kleiner als sein Schwarzschild-Radius ist, ist ein Schwarzes Loch. Mit anderen Worten, jedes Objekt mit einer Fluchtgeschwindigkeit, die höher als die Lichtgeschwindigkeit ist, ist ein Schwarzes Loch. Um ein solches Objekt aus der Sonne zu machen, muss es auf einen Radius von etwa drei Kilometern komprimiert werden.
Ein Schwarzes Loch besteht aus zwei Hauptteilen: der Singularität und dem Ereignishorizont. Die Größe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs wird als seine Größe betrachtet, da er berechnet und gemessen werden kann.
Der Horizont wird auch als "Punkt ohne Wiederkehr" in der Nähe des Schwarzen Lochs angesehen. Dies ist keine physikalische Oberfläche, sondern eine Kugel, die eine Singularität umgibt, die eine Grenze markiert, deren Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Der Radius dieses Bereichs ist der Schwarzschild-Radius.
Sobald sich die Materie jenseits des Ereignishorizonts befindet, beginnt sie in Richtung der Mitte des Schwarzen Lochs zu fallen. Mit solch einer starken Schwerkraft wird Materie zu einem Punkt komprimiert - einem unglaublich kleinen Volumen verrückter Dichte. Dieser Punkt ist eine Singularität. Es ist vernachlässigbar und hat nach modernen theoretischen Modellen eine unendliche Dichte. Es ist durchaus möglich, dass die uns bekannten Gesetze der Physik bei der Singularität verletzt werden. Wissenschaftler untersuchen dieses Problem aktiv, um zu verstehen, was in den Singularitäten geschieht, und um eine vollständige Theorie zu entwickeln, die beschreibt, was im Zentrum eines Schwarzen Lochs geschieht.
Lassen Sie uns einige Berechnungen durchführen
Mal sehen, was wir über ein ein Millimeter großes Schwarzes Loch lernen können. Nach Berechnungen hat ein solches Schwarzes Loch mit einem Schwarzschild-Radius eine Masse von 7 x 10 ^ 23 Kilogramm - mehr als fünf Massen des Mondes (gemäß der Formel R = 2MG / c ^ 2, wobei R der Schwarzschild-Radius ist, M die Masse des Objekts ist, G die Gravitation ist konstant und c ist die Lichtgeschwindigkeit).
Das Verhältnis der Erde zur Sonne beträgt drei Teile zu einer Million. Wenn die Erde also ein Schwarzes Loch werden würde, wäre ihr Radius nur neun Millimeter. Daher hätte ein Schwarzes Loch von einem Millimeter eine Masse von 11% der Masse der Erde. Wir hätten definitiv Probleme mit der 11% zusätzlichen Masse auf dem Planeten.
Es reicht sogar aus, dass die Gesamtgravitation der Erde spürbar zunehmen würde. Diese zusätzliche Schwerkraft würde ausreichen, um die Umlaufbahn des Mondes zu verändern, sodass er einfach aus seiner aktuellen Umlaufbahn herausfliegen und sich in einer elliptischen Umlaufbahn bewegen könnte.
Das Flamm-Paraboloid repräsentiert die Raumzeit jenseits des Wachstumshorizonts der Schwarzschild-Ereignisse des Schwarzen Lochs.
Wo ist dieses imaginäre Schwarze Loch - an der Oberfläche, im Mittelpunkt der Erde oder dreht es sich darum? Nehmen wir an, es befindet sich auf der Oberfläche des Planeten. Das Gebiet seines Gravitationseinflusses würde ungefähr ein Drittel des Erdradius betragen - ungefähr 2124 Kilometer.
Alle Materie in unmittelbarer Nähe dieses mikroskopisch kleinen Schwarzen Lochs würde sofort eine starke Schwerkraft spüren, und das Loch wiederum würde alles auf seinem Weg zum Erdmittelpunkt verschlucken, den es in etwa 42 Minuten ab dem Moment seines Auftretens erreichen würde. Es würde sich ungefähr zur gleichen Zeit durch den Erdkern bewegen und die andere Seite der Erdoberfläche erreichen.
Wenn ein Schwarzes Loch mit einer Relativgeschwindigkeit von weniger als 12 km / h auf der Oberfläche erscheinen würde, würde es sich zusammen mit seinem Gravitationsbereich um den Blauen Planeten drehen. Einfach ausgedrückt ist es die Zerstörung der Erdkruste und des größten Teils ihres Erdmantels. Und wenn es noch einfacher ist, bedeutet es den Tod allen Lebens auf der Erdoberfläche.
Akkretionsrate und Eddington-Limit
Der größte Teil der Erdmasse um das Schwarze Loch wird zu Nahrung und wird von dieser angereichert. Bevor dieses Material jedoch nur in ein Schwarzes Loch fällt, muss es seinen Drehimpuls verlieren - weshalb es beginnt, sich um es herum zu drehen und eine Akkretionsscheibe zu bilden.
Dieses Material erzeugt viel Wärme, die schließlich abgestrahlt wird. Die Strahlung hat einen Druck, der die weitere Akkretion verlangsamt. Beide Effekte gleichen sich aus - dies wird als Eddington-Grenze bezeichnet.
Akkretierendes Schwarzes Loch in der Sicht des Künstlers
Die Eddington-Grenze legt auch eine harte Grenze für den Grad der Akkretion eines Schwarzen Lochs fest. Eine kleine Akkretionsscheibe hätte höchstwahrscheinlich eine Temperatur von ungefähr sechstausend Kelvin - ungefähr die gleiche wie der Erdkern oder die Oberfläche der Sonne.
Einige Reibungsprozesse würden zwischen der Akkretionsscheibe und der Erdmasse auftreten, wodurch sich ein mikroskopisch kleines Schwarzes Loch im Kern des Planeten niederlassen würde.
Tod in einem schwarzen Loch
Im Allgemeinen würde es fünf Milliarden Jahre dauern, bis ein solches Schwarzes Loch die Erde verschluckt. Es würde die Masse der Erde signifikant erhöhen. Und natürlich würde es sofort ein völliges Chaos auf dem Planeten schaffen, das sich in nur wenigen Stunden in ein unbewohntes Weltraumstück aus kollabierender Kruste, Lava, heißen Gasen und allem anderen verwandeln würde.
Das Leben würde unmöglich werden und die hohe Masse des Schwarzen Lochs könnte den Asteroidengürtel zerstören. Dies könnte wiederum für die nächsten Millionen Jahre zu häufigen Kollisionen im Sonnensystem führen. Der Mond würde sich weiterhin um die Neue Erde (Schwarzes Loch) drehen, jedoch in einer sehr langgestreckten elliptischen Umlaufbahn.
Das Schwarze Loch würde sich nicht sofort zum Erdmittelpunkt bewegen, sondern es würde sich eine Weile um es drehen, aber am Ende würde es es erreichen. Um zu verstehen, wie dieses mikroskopisch kleine Schwarze Loch an Masse zunehmen würde, sind komplexe Berechnungen und Simulationen erforderlich.
All dies lässt sich mit den Worten des weltberühmten Astrophysikers und Popularisierers der Wissenschaft Neil DeGrasse Tyson zusammenfassen:
Vladimir Guillen