Dlaczego Czarne Dziury w środku galaktyk nie zasysają całej galaktyki?

Jak stwierdzono w kilku źródłach, przypuszcza się, że w każdej galaktyce znajduje się czarna dziura pośrodku.

Moje pytanie brzmi: dlaczego te czarne dziury w środku galaktyk nie zasysają całej otaczającej materii w galaktyce?

Nie powinieneś myśleć o czarnych dziurach jako o „wciąganiu rzeczy”. Czarne dziury oddziałują z materią poprzez grawitację, tak samo jak każdy inny obiekt. Pomyśl o naszym Układzie Słonecznym. Wszystkie planety krążą wokół Słońca, ponieważ ma dużo masy. Ponieważ planety mają pewien ruch boczny (nie poruszają się bezpośrednio w kierunku lub od Słońca), krążą wokół niego. Jest to znane jako zachowanie momentu pędu .

Gdy mówimy o grawitacji, liczy się tylko masa obiektów. Tak naprawdę nie ma znaczenia, jaki to obiekt *. Gdyby zastąpić słońce czarną dziurą o tej samej masie co nasze Słońce, planety kontynuowałyby dokładnie na tych samych orbitach, co poprzednio.

Teraz czarne dziury w centrach większości galaktyk spiralnych gromadzą masę. Niektóre z tych czarnych dziur mają wokół siebie dyski akrecyjne . Są to wirujące dyski gazu i pyłu, które powoli wpadają do czarnej dziury. Te cząsteczki gazu i pyłu tracą swój moment pędu poprzez interakcje z gazem i pyłem w pobliżu oraz promieniowanie energii w postaci ciepła. Niektóre z tych czarnych dziur mają bardzo duże dyski akrecyjne i mogą generować ogromne ilości promieniowania elektromagnetycznego. Są one znane jako aktywne jądra galaktyczne .

Krótko mówiąc, czarne dziury nie „ssą”. Po prostu oddziaływują grawitacyjnie z rzeczami. Gwiazdy, gaz i inna materia w galaktyce ma pęd kątowy, więc pozostaje na orbicie wokół centrum galaktyki. Nie tylko wpada prosto. Z tego samego powodu Ziemia okrąża Słońce.

* Uwaga: Kiedy mówisz o rzeczach takich jak siły pływowe, musisz wziąć pod uwagę rozmiar obiektów. Ale w przypadku mechaniki orbitalnej nie musimy się tym martwić, ponieważ odległości między obiektami są na ogół znacznie większe niż same obiekty.

Słyszałem kiedyś o japońskiej kreskówce / filmie / programie, w którym kosmiczni piraci zagrozili skompresowaniem planety Jowisz w czarną dziurę i zniszczeniem w ten sposób połowy galaktyki Drogi Mlecznej.

Brzmi jak interesujący pomysł, ale ... nawet gdybyś mógł ściśnąć Jowisza w czarną dziurę, jego masa pozostałaby taka sama, co oznacza, że ​​Jowisz (teraz czarna dziura) nadal poruszałby się wokół naszego Słońca na tej samej orbicie , a księżyce Jowisza nadal będą krążyć wokół Jowisza, tak jak poprzednio.

Wiele osób uważa, że ​​gdy gwiazda zapadnie się w czarną dziurę, jej „siła ssąca” (siła grawitacji) wzrasta. Po prostu tak nie jest. Wierzcie lub nie, wiele gwiazd jest mniej masywnych po tym, jak zamieniają się w czarną dziurę niż wcześniej , kiedy świeciły gwiazdy. Jest tak, ponieważ pod koniec życia niektóre gwiazdy zrzucają znaczną część swojej zewnętrznej warstwy w kosmos, zanim zapadną się w czarną dziurę.

Czytałem, że jeśli skompresujesz Ziemię do wielkości wiśni, jej gęstość będzie tak duża, że ​​zamieni się w czarną dziurę. Zakładając, że było to prawdą i rzeczywiście tak się stało, czarna dziura Ziemi nadal będzie krążyć wokół Słońca raz w roku, a księżyc Ziemi będzie krążył wokół Ziemi raz na 29,5 dnia. (Teraz obrót nowej czarnej dziury-Ziemi wokół jej osi prawdopodobnie byłby inny, ale czas potrzebny na okrążenie Słońca nie zmieniłby się.)

Zaskakujące jest, że gdy Ziemia zostanie ściśnięta w czarną dziurę wielkości wiśni, spadnie do niej mniej śmieci kosmicznych niż wcześniej (gdy Ziemia była wielkości ... no cóż, Ziemi). Wynika to z faktu, że nowo utworzona czarna dziura-Ziemia zajmowałaby znacznie mniej miejsca (objętość), a asteroidy i komety bardziej prawdopodobnie przegapiłyby objętość wielkości wiśni (lub nieco większej niż rozmiar wiśni), która, jeśli nie zostanie pominięty, spowoduje zasysanie gruzu do czarnej dziury.

Gdyby szczątki przeoczyły Ziemię-czarną dziurę nawet o jeden kilometr (co może wydawać się nam dużą odległością, ale z astronomicznego punktu widzenia jest bardzo małe), odleciałoby w innym kierunku, być może nigdy nie wróci.

Zasadniczo powszechne nieporozumienie dotyczące czarnych dziur jest takie, że nic nie ma większej grawitacji niż czarna dziura i że gwiazdy, które nagle formują się w czarne dziury, mają zwiększoną grawitację i dlatego zyskują większą „siłę ssącą”. To po prostu nieprawda. Czarne dziury wciąż mają taką samą masę jak poprzednio (czasami mniej, w zależności od tego, w jaki sposób się formują), a to, ile mają „siły ssącej”, nadal zależy od tego, z jakiej masy się składają.

Chociaż może być prawdą, że najbardziej masywnymi gwiazdami we wszechświecie są rzeczywiście czarne dziury (jeśli w tym miejscu można nazwać je gwiazdami ), istnieje wiele gwiazd, które są bardziej masywne (a zatem mają więcej „siły ssącej”) niż wiele czarnych dziur.

Zatem fakt, że centrum naszej galaktyki prawdopodobnie zawiera super-masywną czarną dziurę, nie oznacza, że ​​czarna dziura zassałaby więcej materii, niż gdyby była to ta sama ilość masy, która nie byłaby w formie czarnej dziury.

Grawitacja jest zgodna z prawem odwrotności kwadratu. Mówiąc prosto, jeśli podwoisz odległość od źródła grawitacji, ćwierć jest skuteczny. Więc jeśli podwoisz odległość od ziemi, poczujesz 1 / 4g. Ważne jest, aby pamiętać, że wraz ze wzrostem odległości nigdy nie będzie ona wynosić 0, zawsze będzie to niezerowa wartość bez względu na odległość.

Zatem w odległościach galaktycznych siła grawitacji centralna czarna dziura ma bardzo niewielki wpływ.

To tylko wyjaśnia część tego. Druga część to zachowanie momentu pędu.

Siła grawitacji i moment pędu odpowiadają za orbity. W mechanice orbitalnej podnosisz swoją orbitę, dodając prędkość, a nie wysokość. Twoje dodanie momentu pędu, który podnosi twoją orbitę. Aby obniżyć orbitę, zmniejszasz prędkość, co zmniejsza pęd kątowy i wysokość.

Aby rzeczy „wpadły” do czarnej dziury, muszą podróżować z prędkością, w której ich orbita przecina horyzont zdarzeń. Tak się rzadko zdarza, ponieważ te „rzeczy” nie byłyby na początku na orbicie. Zatem sam fakt, że wszystkie „rzeczy”, które składają się na galaktykę, krążą wokół centralnej czarnej dziury, oznacza, że ​​nie można do niej wpaść.

Te 3 rzeczy są zawsze w równowadze na stabilnej orbicie, sile grawitacji, prędkości i wysokości (lub odległości od źródła grawitacji). Jeśli zmienisz jedną z nich, pozostałe 2 również muszą się zmienić. Jeśli zmniejszysz prędkość, wysokość spadnie, a grawitacja wzrośnie. Jeśli zwiększysz grawitację, prędkość również musi wzrosnąć, w przeciwnym razie wysokość spadnie.

Widzisz więc, że rzeczy nie mogą wpaść do czarnej dziury. Powiedziałem, że moim zdaniem ostatecznie wszystko w galaktyce wpadnie do centralnej czarnej dziury, jednak zajmie to wiele miliardów lat.

Oczywiście, to zbytnio upraszcza, a ja w żadnym wypadku nie jestem ekspertem w tej dziedzinie. Ale to coś, co mogę sobie wyobrazić, równowagę między pędem a grawitacją.

v

Musisz także uwzględnić ciemną materię oddziałującą grawitacyjnie z całą „gorącą materią”, którą można zobaczyć na dysku galaktycznym. Ciemną materię odkryto poprzez dokładne mapowanie orbit obiektów w galaktykach i stwierdzenie, że materia, którą można zobaczyć, nie może uwzględnić obserwowanego ruchu orbity. Jedną z tajemnic ciemnej materii jest to, że nie jest ona wciągana do czarnej dziury tak jak gorąca materia. Ciemna materia ma praktyczny efekt równoważenia siły grawitacji supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki.

Cóż, nie jestem studentem fizyki, ale myślę, że ludzie z jakiegoś powodu zwykle popierają błędne przekonanie o „mocy ssącej” czarnej dziury.

Rozważmy równanie Newtona dla grawitacji:

$F = {Gm_im_j\over r_{ij}^2}$$r_{ij}$

$r_{ij}$

$r_{ij}$

Popraw mnie, jeśli się mylę.

W przypadku galaktyk z dużymi czarnymi dziurami otaczająca materia znajduje się na orbicie wokół czarnej dziury, tak samo jak księżyc krąży wokół Ziemi.

Pytanie jest bezpośrednią analogią do „ Dlaczego Księżyc nie spada na ziemię? ” Lub „ Dlaczego planety nie spadają na słońce? ”. Czarna dziura jest bardziej masywna niż Słońce, ale jej efekty są tego samego typu.

Szybką odpowiedzią na twoje pytanie byłby horyzont zdarzeń lub promień Schwarzschilda. Wszystko, co jest dość blisko tego promienia / horyzontu, zostanie w końcu zasysane przez czarną dziurę.

Jest to powszechne nieporozumienie dotyczące czarnych dziur: że w jakiś sposób „zasysają” wszystko wokół siebie lub wciągają w nie różne rzeczy. W rzeczywistości możesz teraz zastąpić Słońce czarną dziurą o tej samej masie i nie zauważyć żadnej bezpośredniej różnicy. To nie tak, że nagle zacząłby odkurzać planety wokół niego, po prostu nie tak to działa.

Bądź cierpliwy, w końcu tak się stanie, chyba że tempo ekspansji galaktyki przekroczy wzrost grawitacyjny czarnej dziury, gdy pochłonie otaczającą ją materię.

W tym scenariuszu galaktyka ostatecznie rozproszy się, a jej materia będzie dalej oddalać się od czarnej dziury, aż napotka inną galaktykę, w którym to momencie ma dużą szansę na wessanie do tej czarnej dziury. Nic nie przetrwa wiecznie .. :-)

Prosta odpowiedź jest taka, że ​​wszystko inne w galaktyce porusza się na boki wystarczająco szybko, aby uniknąć zasysania. Zamiast tego siła ssania (jeśli wolisz) powoduje, że ścieżki gwiazd są wciągane w okrąg wokół czarnej dziury.

Zjawiskiem tym jest „orbita”. Jak wskazały inne odpowiedzi, jest to ten sam powód, dla którego Ziemia nie spada do Słońca lub Księżyca, i dlaczego Międzynarodowa Stacja Kosmiczna leci z prędkością około 17 150 mil na godzinę. Wszystkie poruszają się na boki, siła jakiegoś dużego obiektu zamienia ten ruch na boki w ruch kołowy, a jeśli nie szły wystarczająco szybko, zakręcałyby („spadały”) w kierunku tego dużego obiektu i uderzały w niego.

To tak, jakbyś wirował wiadro na końcu sznurka. Wiadro porusza się na boki, ale sznurek ciągnie go do siebie. Wiadro nie odlatuje od ciebie z powodu siły wywieranej przez sznurek, więc zakręca w kręgu. Siła ze sznurka bywa niewystarczająca, aby zwinąć wiadro do wewnątrz i uderzyć cię.

chodzi przede wszystkim o ENTROPY, który jest proporcjonalny do powierzchni horyzontu zdarzeń czarnej dziury (patrz poniżej heurystyczny argument kwantowy z powodu Moffata / Wanga, dlaczego tak jest).

Zakładając, że rozwiązanie Schwarzschilda daje promień 2Gm dla horyzontu zdarzeń, z masą czarnej dziury i stałą G Newtona. Dodanie masy do czarnej dziury zwiększa w ten sposób jej entropię. Biorąc pod uwagę odizolowany system skończonej energii całkowitej, ma on skończoną maksymalną entropię, która działa jako atraktor dla dynamiki układu, ograniczając horyzont.

J von Neumann definiuje kwantową wersję entropii w następujący sposób: Niech f będzie stanem normalnym lokalnej algebry obserwowalnych O (D) działającej na przestrzeni Hilberta H. Następnie możemy zapisać to f jako wypukłą sumę stanów czystych. Dla układu energii skończonej suma ta jest skończona, ponieważ H jest wówczas skończonym wymiarem Nieprzemiennym równoważnikiem podziału von Neumanna jest operator gęstości, tj. Ważona suma rzutów na minimalne przestrzenie wektorowe odpowiadające tym stanom czystym. Następnie mamy dobrze znana równoważność;
Dla takiego normalnego stanu f entropia von Neumanna jest definiowana jako entropia wag. Interpretujemy to jako (odwrotną) miarę ilości informacji, jaką układ kwantowy w danym stanie da przez pomiar. Im większa entropia układu kwantowego, tym mniej informacji można uzyskać. Entropia von Neumanna z czarnej dziury Proces pomiaru nie może być przeprowadzony przez zewnętrznego obserwatora elementów wewnątrz wnętrza, poza horyzontem zdarzeń. W ten sposób dzielimy horyzont zdarzeń czarnej dziury elementami o kwadratach k każdy, gdzie k jest długością Plancka i zakładamy, że powierzchnia Plancka odpowiada klasycznie minimalnemu rzutowi stanu czystego wektora. Niech N będzie całkowitą skończoną liczbą partycji. Zgodnie z hipotezą „brak włosów” na horyzoncie zdarzeń nie ma preferowanej lokalizacji, więc każdy element podziału musi mieć taką samą wagę. Entropia von Neumanna tej przegrody jest więc proporcjonalna do S pola powierzchni czarnej dziury.