I buchi neri ci sembrano qualcosa di distante, sul quale a volte fanno film o scrivono nei libri. Raramente pensiamo a cosa accadrebbe se un buco nero in miniatura con un diametro di un millimetro apparisse sulla superficie del nostro pianeta. A proposito di questo - nel nostro materiale.
C'è un malinteso popolare associato ai buchi neri: sono una sorta di aspirapolvere spaziale che consumano tutto ciò che li circonda. Certo, si "nutrono", ma il loro stomaco è piccolo. Il problema non si manifesta quando "mangiano", ma quando "vomitano" dopo aver cenato troppo. È davvero spaventoso.
In realtà è un po 'più complicato. Basandosi sul fatto che il raggio di un buco nero è proporzionale alla sua massa, è possibile effettuare alcuni calcoli. Per prima cosa, rispolveriamo alcune delle basi.
Cos'è un buco nero
Un buco nero è una regione dello spazio in cui la gravità è così forte che nemmeno la luce può lasciarlo. La forza di gravità fa sì che il tessuto stesso dello spazio-tempo si pieghi e si blocchi su se stesso. Tutto ciò accade a causa della compressione della materia - molto spesso, questi sono i resti di una stella massiccia - all'interno di una regione estremamente piccola.
La struttura del buco nero: singolarità, orizzonte degli eventi e raggio di Schwarzschild (la regione dalla singolarità all'orizzonte degli eventi).
In effetti, non possiamo vedere i buchi neri a causa del fatto che la luce non può uscirne. Si scopre che per lasciare il buco nero qualsiasi oggetto deve sviluppare una velocità superiore a quella della luce, che a sua volta si muove a una velocità di 299 792 458 metri al secondo. Per fare un confronto, la velocità di fuga per superare la gravità terrestre è di soli 11,2 chilometri al secondo. Tuttavia, se lanciassimo un razzo da un pianeta che pesa quanto la Terra, ma la metà del diametro, la velocità di fuga sarebbe di 15,8 chilometri al secondo. Anche se l'oggetto avesse la stessa massa, la velocità di fuga sarebbe maggiore a causa delle sue dimensioni inferiori e quindi della densità maggiore.
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E se restringessimo ulteriormente l'oggetto? Se comprimiamo la massa terrestre in una sfera con un raggio di nove millimetri, la velocità di fuga raggiunge la velocità della luce. Se questa massa viene compressa in una sfera ancora più piccola, la velocità di fuga supererà la velocità della luce. Ma poiché la velocità della luce è il limite cosmico della velocità, niente può lasciare questa sfera.
Il raggio al quale la massa ha una velocità di fuga uguale alla velocità della luce è chiamato raggio di Schwarzschild. Qualsiasi oggetto più piccolo del suo raggio di Schwarzschild è un buco nero. In altre parole, qualsiasi oggetto con una velocità di fuga superiore alla velocità della luce è un buco nero. Per creare un oggetto del genere dal Sole, dovrà essere compresso fino a un raggio di circa tre chilometri.
Un buco nero ha due parti principali: la singolarità e l'orizzonte degli eventi. La dimensione dell'orizzonte degli eventi di un buco nero è considerata la sua dimensione perché può essere calcolata e misurata.
L'orizzonte è anche considerato il "punto di non ritorno" in prossimità del buco nero. Questa non è una superficie fisica, ma una sfera che circonda una singolarità che segna un confine, la cui velocità di fuga è uguale alla velocità della luce. Il raggio di quest'area è il raggio stesso di Schwarzschild.
Non appena la materia è oltre l'orizzonte degli eventi, inizia a cadere verso il centro del buco nero. Con una gravità così forte, la materia viene compressa in un punto: un volume incredibilmente piccolo di densità folle. Questo punto è una singolarità. È trascurabile e, secondo i moderni modelli teorici, ha una densità infinita. È del tutto possibile che le leggi della fisica che conosciamo siano violate alla singolarità. Gli scienziati stanno esplorando attivamente questo problema per capire cosa sta succedendo nelle singolarità, nonché per sviluppare una teoria completa che descriva ciò che accade al centro di un buco nero.
Facciamo alcuni calcoli
Vediamo cosa possiamo imparare su un buco nero di un millimetro. Secondo i calcoli, un tale buco nero con un raggio di Schwarzschild avrà una massa di 7 x 10 ^ 23 chilogrammi - più di cinque masse della Luna (secondo la formula R = 2MG / c ^ 2, dove R è il raggio di Schwarzschild, M è la massa dell'oggetto, G è il gravitazionale costante, ec è la velocità della luce).
Il rapporto tra la Terra e il Sole è di tre parti per un milione. Quindi, se la Terra dovesse diventare un buco nero, il suo raggio sarebbe di soli nove millimetri. Pertanto, un buco nero di un millimetro avrebbe una massa dell'11% della massa della Terra. Avremmo sicuramente problemi con l'11% di massa in più sul pianeta.
È sufficiente anche che la gravità totale della Terra aumenti notevolmente. Questa gravità extra sarebbe sufficiente per cambiare l'orbita della Luna, quindi potrebbe semplicemente volare fuori dalla sua orbita attuale e iniziare a muoversi in un'orbita ellittica.
Il paraboloide Flamm che rappresenta lo spaziotempo oltre l'orizzonte di crescita degli eventi del buco nero di Schwarzschild.
Dov'è questo buco nero immaginario - sulla superficie, al centro della Terra, o gli ruota attorno? Supponiamo che sia sulla superficie del pianeta. L'area della sua influenza gravitazionale sarebbe circa un terzo del raggio della Terra - circa 2124 chilometri.
Tutta la materia nelle immediate vicinanze di questo microscopico buco nero sentirebbe immediatamente una forte gravità da esso, e il buco, a sua volta, assorbirebbe tutto sulla strada verso il centro della Terra, che raggiungerebbe in circa 42 minuti dal momento in cui è apparso. Viaggerebbe attraverso il nucleo terrestre e raggiungerebbe l'altro lato della superficie terrestre all'incirca nello stesso tempo.
Se un buco nero apparisse sulla superficie con una velocità relativa inferiore a 12 km / h, ruoterebbe attorno al Pianeta Blu insieme alla sua area gravitazionale. In poche parole, è la distruzione della crosta terrestre e della maggior parte del suo mantello. E se è ancora più semplice, significa la morte di tutta la vita sulla superficie della Terra.
Tasso di accrescimento e limite di Eddington
La maggior parte della massa terrestre attorno al buco nero diventerà cibo e ne verrà accumulata. Prima di cadere in un buco nero, tuttavia, tutto questo materiale dovrà perdere il suo momento angolare, motivo per cui inizierà a ruotare attorno ad esso, formando un disco di accrescimento.
Questo materiale produce molto calore, che alla fine verrà irradiato. La radiazione ha una pressione che rallenta l'ulteriore accrescimento. Entrambi questi effetti si bilanciano a vicenda: questo è chiamato limite di Eddington.
Accrescendo il buco nero nella vista dell'artista
Il limite di Eddington pone anche un limite rigido al grado di accrescimento di un buco nero. Un piccolo disco di accrescimento avrebbe molto probabilmente una temperatura di circa seimila Kelvin, più o meno la stessa del nucleo terrestre o della superficie del Sole.
Alcuni processi di attrito si verificherebbero tra il disco di accrescimento e la massa terrestre, a seguito dei quali un buco nero microscopico si sarebbe depositato nel nucleo del pianeta.
Morte in un buco nero
In generale, ci vorrebbero cinque miliardi di anni perché un buco nero di questo tipo inghiottisse la Terra. Aumenterebbe significativamente la massa della Terra. E, naturalmente, creerebbe immediatamente un disordine completo sul pianeta, che in poche ore si trasformerebbe in un pezzo spaziale disabitato di crosta che collassa, lava, gas caldi e tutto il resto.
La vita diventerebbe impossibile e l'elevata massa del buco nero potrebbe distruggere la cintura degli asteroidi. Questo, a sua volta, potrebbe portare a frequenti collisioni nel sistema solare per i prossimi milioni di anni. La luna continuerebbe a ruotare attorno alla Nuova Terra (buco nero), ma in un'orbita ellittica molto allungata.
Il buco nero non si sposterebbe immediatamente al centro della Terra, ma piuttosto gli ruoterebbe attorno per un po ', ma alla fine ci arriverebbe. Per capire come questo buco nero microscopico crescerebbe in massa, sono necessari calcoli e simulazioni complessi.
Tutto questo può essere riassunto nelle parole del famoso astrofisico e divulgatore della scienza Neil DeGrasse Tyson:
Vladimir Guillen