Почему черные дыры в центре галактик не поглощают всю галактику?


42

Как указано в нескольких источниках, предполагается, что в каждой галактике есть черная дыра в середине.

Мой вопрос: почему эти черные дыры в центре галактик не поглощают всю окружающую материю в галактике?



2
@Raidri Там также хорошая об отношениях между массой и гравитацией в Что, если книге. IIRC обсуждает, какие эффекты окажет локально на Земле кусок "материала нейтронной звезды". Короче говоря: не трогай это. Если вы еще этого не сделали, я настоятельно рекомендую взять копию (книги, а не нейтронной звезды).
thanby

Пожалуйста, не используйте место для комментариев для ответов.
call2voyage


3
Последнее, что я знал, не предполагалось, что «в каждой галактике есть черная дыра посередине». Обратите внимание на акцент на каждом . Следует отредактировать «каждую галактику» на «много галактик»
Аарон

Ответы:


84

Вы не должны думать о черных дырах как о "всасывании вещей". Черные дыры взаимодействуют с веществом посредством гравитации, так же, как и любой другой объект. Подумайте о нашей Солнечной системе. Все планеты вращаются вокруг Солнца, потому что оно имеет массу. Поскольку планеты имеют некоторое боковое движение (они не движутся прямо к Солнцу или от него), они вращаются вокруг него. Это известно как сохранение момента импульса .

Когда речь идет о гравитации, все, что имеет значение, это масса вовлеченных объектов. Неважно, что это за объект *. Если бы вы заменили Солнце черной дырой, масса которой была бы такой же, как у нашего Солнца, планеты продолжали бы двигаться по тем же орбитам, что и раньше.

Теперь черные дыры в центрах большинства спиральных галактик накапливают массу. У некоторых из этих черных дыр есть аккреционные диски . Это закрученные диски газа и пыли, которые медленно падают в черную дыру. Эти частицы газа и пыли теряют свой момент импульса из-за взаимодействия с газом и пылью поблизости и из-за излучения энергии в виде тепла. Некоторые из этих черных дыр имеют очень большие аккреционные диски и могут генерировать огромное количество электромагнитного излучения. Они известны как активные галактические ядра .

Итак, короче говоря, черные дыры не "сосут". Они просто взаимодействуют с вещами гравитационно. Звезды, газ и другие вещества в галактике имеют момент импульса, поэтому он остается на орбите вокруг центра галактики. Он не просто падает прямо внутрь. Это та же самая причина, по которой Земля вращается вокруг Солнца.

* Отказ от ответственности: когда вы говорите о таких вещах, как приливные силы, вам необходимо учитывать размер объектов. Но для орбитальной механики нам не нужно беспокоиться об этом, потому что расстояния между объектами обычно намного больше, чем сами объекты.


5
Добавим, что если Солнце стало черной дырой, и если ему удалось сделать это без потери массы, Земля и остальная часть Солнечной системы будут продолжать вращаться вокруг нее, как и всегда. Вы в конечном итоге попадете в черную дыру, только если подойдете к ней очень близко, и в этот момент сила гравитации огромна. Но вы должны быть очень близко. Для иллюстрации Землю нужно сжать до ширины ~ 1 см, чтобы она стала черной дырой. В реальной жизни, даже если вы проложите туннель к ядру Земли, вы не почувствуете такого рода гравитацию, поскольку масса находится над вами (см. Теорему о оболочке).
Очарование

3
«Некоторые из этих галактик имеют очень большие аккреционные диски». Я думаю, вы имели в виду «Некоторые из этих черных дыр ...»
jpmc26

13
Возможное педантичное предостережение - в течение достаточно длительного промежутка времени можно ожидать, что различные объекты, вращающиеся вокруг галактической черной дыры, в конечном итоге попадут в нее, поскольку трение с межзвездной средой постепенно истощает их угловой момент. Конечно, плотность межзвездной среды настолько низка, что «достаточно длинный временной масштаб», вероятно, нелепо, до смешного длинен (почти наверняка, дольше, чем продолжительность жизни любого объекта в галактике).
aroth

18
Я только что понял, что галактика - это просто гигантский аккреционный диск для сверхмассивной черной дыры в середине ...
Джон Дворак

21
@JohnDvorak Совсем не одно и то же. Черная дыра + система аккреционных дисков в значительной степени доминирует и управляется силой тяжести черной дыры. Большая сверхмассивная черная дыра, это всего лишь пылинка в масштабе всей галактики. Галактика - очень отличная система от аккреционного диска - она ​​удерживается вместе своей полной гравитацией, а не просто вращается вокруг черной дыры.
Флорин Андрей

11

Однажды я слышал о японском мультфильме / фильме / шоу, где космические пираты угрожали сжать планету Юпитер в черную дыру и таким образом уничтожить половину галактики Млечный путь.

Это звучит как интересная идея, но ... даже если бы вы могли сжать Юпитер в черную дыру, его масса осталась бы такой же, то есть Юпитер (теперь черная дыра) все еще продолжал бы вращаться вокруг нашего Солнца на той же орбите и спутники Юпитера все еще будут продолжать вращаться вокруг Юпитера, как они делали раньше.

Многие люди думают, что как только звезда падает в черную дыру, ее «сила всасывания» (ее гравитационная сила) увеличивается. Это просто не тот случай. Верьте или нет, многие звезды становятся менее массивными после того, как они превращаются в черную дыру, чем раньше , когда они были сияющими звездами. Это связано с тем, что в конце своей жизни некоторые звезды теряют значительную часть своего внешнего слоя в космосе, прежде чем они упадут в черную дыру.

Я читал, что если бы вы сжали Землю до размеров вишни, ее плотность была бы настолько велика, что она превратилась бы в черную дыру. Предполагая, что это правда, и это действительно было сделано, черная дыра Земли будет продолжать вращаться вокруг Солнца один раз в год, а луна Земли будет продолжать вращаться вокруг Земли примерно один раз каждые 29,5 дней. (Теперь вращение новой черной дыры-Земли вокруг своей оси, вероятно, будет другим, но время, которое потребуется, чтобы вращаться вокруг Солнца, не изменится.)

Удивительно, но как только Земля сжимается в черную дыру размером с вишню, в нее может попасть меньше космического мусора, чем раньше (когда Земля была размером ... ну, Земля). Это связано с тем, что вновь образованная черная дыра-Земля будет занимать гораздо меньше места (объема), а астероиды и кометы с большей вероятностью будут пропускать объем размером с вишню (или немного больше, чем размер вишни), который, если его не пропустить, мусор засосет в черную дыру.

Если обломки пропустят Землю черной дыры даже на километр (что может показаться нам большим расстоянием, но очень незначительным в астрономических терминах), он будет отброшен в другом направлении, возможно, никогда не вернется.

Так что, по сути, распространенное заблуждение людей в отношении черных дыр заключается в том, что ничто не имеет большей гравитации, чем черная дыра, и что звезды, которые внезапно образуются в черных дырах, имеют повышенную гравитацию и, следовательно, получают больше «силы всасывания». Это просто неправда. Черные дыры по-прежнему имеют ту же массу, что и раньше (иногда меньше, в зависимости от того, как они образовались), и от того, сколько у них "силы сосания", все еще зависит от того, из какой массы они состоят.

Хотя это может быть правдой, что самые массивные звезды во вселенной действительно являются черными дырами (если вы даже назовете их звездами в этот момент), существует много звезд, которые являются более массивными (и, следовательно, обладают большей «силой всасывания»), чем много черных дыр.

Таким образом, тот факт, что центр нашей галактики, вероятно, содержит сверхмассивную черную дыру, не означает, что черная дыра будет поглощать больше материи, чем если бы это было то же количество массы, которое оказалось не в форме черной дыры.


2
Еще одна неточность, связанная с тем, что космические пираты уничтожают половину Млечного Пути черной дырой, заключается в том, что любые изменения в гравитационном поле Юпитера не будут распространяться быстрее света и, следовательно, для завершения всего этого уничтожения потребуются десятки тысяч лет.
Майкл

2
Кроме того, не разрушает ли галактика своего рода противодействие обычным целям пиратства?
Рикстер

2
Приятное и понятное напоминание о распространенном заблуждении. Спасибо, что указали на то, что черная дыра не меньше, чем гравитационный объект.
Benj

4

Гравитация следует закону обратного квадрата. Проще говоря, если вы удвоите расстояние от источника гравитации, то ваша четверть - это эффект. Таким образом, если вы удвоите расстояние от земли, вы почувствуете 1 / 4g. Важно отметить, что при увеличении расстояния оно никогда не будет равно 0, оно всегда будет иметь ненулевое значение независимо от расстояния.

Так что на галактических расстояниях сила тяжести центральной черной дыры оказывает очень незначительное влияние.

Это только объясняет часть этого. Другая часть - сохранение момента импульса.

Сила гравитации и угловой момент - вот что отвечает за орбиты. В орбитальной механике вы поднимаете свою орбиту, прибавляя скорость, а не высоту. Вы добавляете момент импульса, который поднимает вашу орбиту. Чтобы понизить свою орбиту, вы уменьшаете свою скорость, которая уменьшает ваш угловой момент и вашу высоту.

Таким образом, чтобы вещи «упали» в черную дыру, они должны двигаться со скоростью, при которой их орбита пересекает горизонт событий. Это редко имеет место, иначе эти «вещи» не были бы действительно на орбите с самого начала. Таким образом, сам факт того, что все «вещество», составляющее галактику, вращается вокруг центральной черной дыры, означает, что она не может просто упасть в нее.

Эти 3 вещи всегда находятся в равновесии на стабильной орбите, силе гравитации, скорости и высоте (или расстоянии от источника гравитации). Если вы измените один из них, другой 2 также должен измениться. Если вы уменьшаете скорость, ваша высота снижается, а гравитация увеличивается. Если вы увеличите гравитацию, скорость также должна увеличиться, иначе высота уменьшится.

Итак, вы видите, что вещи не могут просто упасть в черную дыру. Тем не менее, я считаю, что в конечном итоге все в галактике попадет в центральную черную дыру, однако это займет много миллиардов лет.

Конечно, это слишком упрощает вещи, и я ни в коем случае не эксперт в этом деле. Но это то, что я могу себе представить, баланс между импульсом и гравитацией.

v


3

Вы также должны учитывать темную материю, которая гравитационно взаимодействует со всей «горячей материей», которую можно увидеть в галактическом диске. Темная материя была обнаружена путем тщательного картирования орбит объектов в галактиках и определения того, что видимая материя не может объяснить наблюдаемое орбитальное движение. Одна из загадок темной материи заключается в том, что она не втягивается в черную дыру, как горячая материя. Темная материя имеет практический эффект уравновешивания некоторого гравитационного притяжения сверхмассивной черной дыры в центре галактики.


3
Это зависит от того, как дело распространяется. Обычно считается, что темная материя возникает в сфере вокруг галактики. Для сферического распределения материи вам нужно только позаботиться о той части, которая находится внутри вашей орбиты; то, что снаружи, не повлияет на тебя. Таким образом, темная материя будет иметь тот же результат, что притягивает вас внутрь.
Фитерос

3

Ну, я не студент физики, но я думаю, что люди обычно лелеют неправильное представление о "способности сосать" черной дыры по какой-то причине.

Давайте рассмотрим уравнение Ньютона для гравитации:

Fзнак равногмямJряJ2ряJ

ряJ

ряJ

Поправьте меня если я ошибаюсь.


2

Для галактик с большими черными дырами окружающее вещество находится на орбите вокруг черной (ых) дыры, так же, как луна вращается вокруг Земли.

Вопрос в прямой аналогии с « Почему Луна не падает на землю? » Или « Почему планеты не падают на Солнце? ». Черная дыра более массивна, чем Солнце, но ее эффекты того же типа.


Это совсем не типичная ситуация. В подавляющем большинстве случаев черная дыра составляет крошечную долю от общей массы галактики. Конечно, есть некоторые отклонения, но они являются исключениями.
Флорин Андрей

Возможно, справедливее будет сказать, что черные дыры и другие материи находятся на орбите друг друга. В любом случае, важным моментом является то, что есть хорошая аналогия с вопросом, который большинство из нас задают в детстве.
Тоби Спейт

Извините, но это не очень хорошая аналогия. То, что вы описываете, буквально горстка случаев из бесчисленных миллионов.
Флорин Андрей

2

Одним из быстрых ответов на ваш вопрос будет горизонт событий или радиус Шварцшильда. Все, что достаточно близко к этому радиусу / горизонту, будет в конечном итоге засосано черной дырой.


2

Это распространенное заблуждение о черных дырах: они как-то «высасывают» все вокруг себя или втягивают в них вещи. В действительности вы можете заменить Солнце черной дырой той же массы и не заметить каких-либо непосредственных различий. Не то, чтобы это внезапно начало пылесосить на планетах вокруг него, просто это не так.


3
Пожалуйста, не повторяйте (только) то, что уже есть в других ответах
Ян Догген

2

Будьте терпеливы, в конечном итоге это произойдет, если скорость расширения галактики не превысит гравитационный рост черной дыры, поскольку она поглощает вещество вокруг нее.

В этом сценарии галактика будет в конечном итоге диффундировать, и ее материя будет продолжать удаляться от черной дыры, пока не встретится с другой галактикой, и в этот момент у нее есть все шансы в конечном итоге оказаться втянутой в черную дыру галактики. Ничто не выживает вечно .. :-)


1
Что заставляет вас думать, что галактика расширяется? Конечно, вселенная расширяется, но это происходит только в очень больших масштабах. Отдельные галактики и даже скопления галактик не расширяются, потому что их гравитация сильнее, чем расширение в этом масштабе.
PM 2Ring

1

Простой ответ заключается в том, что все остальное в галактике движется вбок достаточно быстро, чтобы избежать попадания внутрь. Вместо этого сила всасывания (если хотите) заставляет траектории звезд втягиваться в круг вокруг черной дыры.

Это явление "орбита". Как указывали другие ответы, это та же самая причина, по которой Земля не падает на Солнце или Луна падают на Землю, и почему Международная космическая станция движется со скоростью около 17 150 миль в час. Все они движутся вбок, сила какого-то большого объекта превращает это боковое движение в круговое движение, и если они не движутся достаточно быстро, то они изгибаются («падают») в направлении этого большого объекта и врезаются в него.

Это как если бы вы крутили ведро на конце струны. Ведро движется вбок, но нить тянет его к вам. Ведро не отлетает от вас из-за силы струны, поэтому оно изгибается по кругу. Сила от струны оказывается недостаточной, чтобы свернуть ведро внутрь и ударить вас.


-3

все дело в ENTROPY, которая пропорциональна площади поверхности горизонта событий черной дыры (см. ниже эвристический квантовый аргумент из-за Моффата / Вана относительно того, почему это так).

Предполагая, что решение Шварцшильда дает радиус 2 Гм для горизонта событий с массой черной дыры и постоянной Н Ньютона. Добавление массы к черной дыре, таким образом, увеличивает ее энтропию. Учитывая изолированную систему конечной полной энергии, она имеет конечную максимальную энтропию, которая действует как аттрактор для динамики системы, накладывая ограничение на горизонт.

Йон фон Нейман определяет квантовую версию энтропии следующим образом. Пусть f - нормальное состояние локальной алгебры наблюдаемых O (D), действующих на гильбертовом пространстве H. Тогда мы можем записать это f в виде выпуклой суммы чистых состояний. Для системы конечной энергии эта сумма конечна, так как тогда H является конечномерным некоммутативным эквивалентом разбиения фон Неймана является оператор плотности, т.е. взвешенная сумма проекций на минимальные векторные пространства, соответствующие этим чистым состояниям. Тогда имеем общеизвестная эквивалентность;
Для такого нормального состояния f энтропия фон Неймана определяется как энтропия весов. Мы интерпретируем это как (обратную) меру количества информации, которую квантовая система в данном состоянии даст посредством измерения. Чем больше энтропия квантовой системы, тем меньше информации можно извлечь. Энтропия фон Неймана черной дыры Процесс измерения не может быть выполнен внешним наблюдателем для элементов внутри, за пределами горизонта событий. Таким образом, мы разделяем горизонт событий черной дыры с элементами, каждый из которых имеет площадь k в квадрате, где k - длина Планка, и предполагаем, что область Планка классически соответствует минимальной проекции состояния чистого вектора. Пусть N будет общим конечным числом разбиений. По гипотезе «нет волос» нет предпочтительного местоположения на горизонте событий, поэтому каждый элемент разбиения должен иметь одинаковый вес. Энтропия фон Неймана этого разбиения, таким образом, пропорциональна S площади поверхности черной дыры.


3
Хотя энтропия черных дыр и граница Бекенштейна являются важной и увлекательной темой, я не понимаю, как это особенно актуально для вопроса ОП.
PM 2Ring

3
Это копия сайта researchgate.net/profile/Charles_Wang28/publication/…, не имеющая отношения к вопросу ОП.
MBR

Я улучшил свой ответ, чтобы учесть добрые комментарии
профессор Джеймс Моффат
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.