Смерть с небес: спагеттификация
Вы читаете отрывок из книги «Смерть с небес» американского астронома и научного блогера Фила Плейта (The Bad Astronomer).
Кое в чем черная дыра не сильно отличается от любого другого объекта. У всего, что имеет массу, имеются силы тяготения. У вас они есть и у меня. У бревна, у Земли, у Солнца, а также у черной дыры. Притяжение от объекта, которое вы ощущаете, определяется всего двумя факторами. Первый – масса этого объекта: удвойте массу объекта, и притяжение, которое вы ощущаете, также удвоится.
(Просто для точности: масса и вес – не одно и то же. Масса – это свойство материи, его можно представить как количество вещества в объекте, и массу мы измеряем в граммах или килограммах. Вес равен силе притяжения, действующей на ту массу, и мы измеряем его в ньютонах. Пушечное ядро имеет одинаковую массу вне зависимости от того, где оно находится, на Земле или на Луне. Но на Луне его вес в шесть раз меньше, потому что ее сила тяготения составляет всего 1/6 от земной; на Земле 1 кг весит 9,8 ньютона, но на Луне он весит примерно 1,6 ньютона.)
Второй фактор, от которого зависят силы тяготения, – на каком расстоянии вы находитесь от объекта, или, точнее, ваше расстояние от центра масс объекта. Силы тяготения уменьшаются с квадратом расстояния, то есть эти силы увеличиваются с таким же темпом по мере того, как вы приближаетесь к объекту.
Возьмем Солнце. Оно очень массивное – 2×1027 т (это двойка с 27 нулями), что весьма впечатляет, – и оно довольно большое, примерно 1 391 000 км в поперечнике. Если бы вы могли стоять на поверхности Солнца, не испарившись, вы бы ощущали притяжение в 28 раз больше того, что вы чувствуете здесь, на Земле.
Но это, собственно, максимальное притяжение, которое вы могли бы ощутить от Солнца. Если вы отодвинетесь (хорошая идея), притяжение, которое вы ощущаете, уменьшится, потому что вы будете находиться дальше. А если вы стоите на его поверхности, вы не сможете приблизиться еще сильнее. В противном случае вы очутились бы внутри Солнца – ближе к его центру, но теперь между вами и его поверхностью находится определенная масса. Вы можете представить, что эта масса тянет вас кверху, немного компенсируя силу тяготения, тянущую вас вниз. По мере приближения к центру Солнца притяжение, которое вы ощущаете, уменьшается. А в самом центре вы не ощущали бы притяжения совсем.
(Согласно физике твердых тел, правда заключается в том, что, как ни странно, масса у вас над головой не притягивает вас совсем. Первым это рассчитал математически Ньютон. По сути, как только вы оказываетесь внутри объекта, подобного Солнцу, единственная масса, о которой вам нужно беспокоиться, – это та, что находится между вами и центром.)
Но теперь давайте немного изменим ситуацию. Давайте сожмем Солнце так, чтобы его масса осталась без изменений, но диаметр стал, скажем, 5,8 км. Так как вся масса теперь утрамбована в сферу диаметром всего 1/240 000 от первоначального, сила тяготения на поверхности взмывает… Но притяжение, которое вы ощущали бы на расстоянии 695 500 км (начальный радиус Солнца), было бы абсолютно таким же!
Сами подумайте: масса такая же, и ваше расстояние (от центра масс сжатого Солнца) такое же. Так как силы тяготения зависят только от этих двух параметров, притяжение, которое вы ощущаете, точно такое же, какое было у Солнца нормальных размеров.
Разница в том, что, если вы приближаетесь, сила тяготения растет. Раньше она уменьшалась, потому что вы были внутри Солнца. Но теперь Солнце стало маленьким, поэтому вы можете приближаться и приближаться, и при этом сила тяготения увеличивается. Она будет постоянно расти, пока вы не приблизитесь на расстояние 2,9 км от центра (половина диаметра), и в этой точке у вас начнутся настоящие проблемы.
Почему? Потому что ту цифру – 5,8 км – я взял не из воздуха. При таком диаметре силы тяготения Солнца были бы настолько большими, что даже свет не мог бы убежать (держу пари, вы гадали, к чему я клоню). Правильно – если бы мы могли сжать Солнце до таких размеров, оно стало бы черной дырой.
Важный момент здесь заключается в том, что на большом расстоянии сила тяготения черной дыры действует точно так же, как и сила тяготения гораздо большего объекта, но такой же массы. На огромном расстоянии притяжение черной дыры с массой в десять раз больше массы Солнца ощущалось бы точно так же, как и притяжение нормальной звезды с массой в десять раз больше массы Солнца.
(Однако ни одна черная дыра, образовавшаяся из сверхновой, не может иметь массу меньше, чем примерно три массы Солнца. Ядро взрывающейся звезды должно быть не меньше этой массы, иначе из него образуется только нейтронная звезда, а не черная дыра. Поэтому спокойствие, только спокойствие: Солнце не сможет превратиться в черную дыру.)
Черные дыры опасны, потому что есть риск приблизиться к ним. Именно в этом заключена реальная мощь черных дыр. Они необязательно массивнее других объектов – многие звезды гораздо более массивны, чем черные дыры. Их сила в размере. Или в его отсутствии: они маленькие. Они настолько малы, что вы можете оказаться очень близко, а по мере приближения к ним их притяжение возрастает колоссально.
Если бы вы были достаточно храбрым – или безрассудным, – чтобы приблизиться к черной дыре, вы бы наблюдали удивительные последствия. Более того, просто сногсшибательные.
Когда вы падаете в черную дыру вниз ногами, ваша голова будет находиться примерно на 180 см дальше от черной дыры, чем ноги (в зависимости от вашего роста, разумеется). Так как силы тяготения зависят от расстояния до центра, черная дыра будет притягивать ваши ноги сильнее, чем голову. На большом расстоянии эта разница в гравитационном воздействии на голову и на ноги невелика, но по мере приближения она будет увеличиваться.
Эта разница называется приливной силой. Строго говоря, это неправильный термин. Это не сила, а изменение силы. К несчастью, термин прижился, и именно так мы называем это явление.
На Землю действует приливная сила Луны: притяжение Луны тянет ту сторону Земли, которая находится ближе к ней, немного сильнее, чем обратную. От этого Земля под Луной выпячивается. Но, как это ни странно, поверхность Земли выпячивается с двух сторон: под Луной и с обратной, дальней стороны от Луны.
Это объясняется тем, что Луна притягивает сильнее центр Земли, чем ее противоположную сторону – центр Земли находится ближе к Луне. Поэтому, по сути, Луна оттягивает центр Земли от противоположной стороны; результат – «горб» на противоположной от Луны стороне Земли. Для объекта, на который действуют приливные силы, это подобно растяжению – как если бы вы взяли один конец резиновой ленты в одну руку, а второй конец в другую и развели руки в стороны.
Приливная сила подобна силе тяготения, но, если сила тяготения увеличивается обратно пропорционально квадрату расстояния, приливы становятся сильнее обратно пропорционально кубу. Уменьшите свое расстояние до объекта наполовину, и сила тяготения увеличится в четыре раза, а приливная сила увеличится в восемь раз. Приблизьтесь в десять раз, и сила тяготения увеличится в 100 раз, а приливы в 1000 раз.
Очевидно, это будет проблемой. Скажем, вы астронавт, парите в скафандре над обычной черной дырой с массой, допустим, в пять раз больше массы Солнца, горизонт событий которой имел бы диаметр 29 км. Астрономы называют такие объекты черной дырой звездной массы, потому что ее масса примерно такая же, как у звезды (кроме того, диаметр черной дыры пропорционален ее массе: удвоим массу, и диаметр черной дыры также удвоится). Давайте также допустим, что вы находитесь очень далеко, на расстоянии примерно 16 000 км. Если вы начнете свое падение оттуда, даже если вы сначала стояли на месте, всего через пару секунд вы окажетесь на горизонте событий! На таком расстоянии невероятное притяжение дыры в 270 000 раз сильнее, чем притяжение Земли. Но что странно – вы бы этого не почувствовали. Так как вы находились бы в свободном падении и ничто не противодействовало бы гравитационному воздействию, вы бы ощущали невесомость, как парашютисты в падении несколько первых секунд затяжного прыжка или астронавты на орбите Земли.
На таком расстоянии приливная сила, обусловленная разницей в 180 см между вашей головой и ступнями, незаметна.
Через секунду или около того ваше падение ускорится. Последние 8000 км до горизонта событий вы промчитесь примерно за одну секунду. Если бы вы могли реагировать быстрее, соображать быстрее (поскольку жить вам осталось всего одну секунду, и мы хотим, чтобы вы понимали, какие ужасы происходят с вами), вы могли бы заметить странное ощущение, такое чувство, как будто бы вас растягивает в двух направлениях, одновременно к черной дыре и от нее, как если бы вы были канатом в игре на перетягивание каната. Общая сила, действующая на ваше тело, по-прежнему огромна, но приливы от черной дыры генерируют небольшое дополнительное усилие на ваши ступни, направленное к черной дыре, равное примерно четверти земного притяжения, и такое же усилие будет приложено к вашей голове, но в направлении от черной дыры. Если вы весите 72 кг, это ощущалось бы так, как будто к вашим ногам привязали 18-килограммовую гирю и такая же гиря тянула бы вашу голову вверх. Это неприятно, но не смертельно. Однако от этого у вас буквально волосы встанут дыбом. К несчастью, через долю секунды все изменится.
На расстоянии 2500 км ощущения гораздо сильнее. Как будто бы вас растягивает как конфету-тянучку – сила, действующая на ваши ступни и направленная вниз, теперь в десять раз больше силы тяготения Земли, 725 кг веса. И такая же сила тянет вашу голову вверх! Кровь приливает к вашей голове, и вы теряете сознание (то, что пилоты истребителей называют «красная пелена», в отличие от потемнения в глазах, когда кровь отливает от мозга). Это оказывается благом. На следующие несколько миллисекунд вам лучше бы отключиться.
Именно тогда начинаются настоящие неприятности. На расстоянии 800 км от черной дыры приливные силы, действующие в противоположных направлениях, разрывают вас с чудовищным усилием в 550 раз больше силы тяготения Земли, свыше 40 т веса. Человеческое тело не в состоянии выдерживать такие нагрузки. Мягкие ткани разрываются, а ваши голова и ступни лопаются от крови, заливающей их с силой в сотни ньютонов.
На расстоянии 80 км от черной дыры приливы превышают силу притяжения Земли больше чем в 700 000 раз. Это как будто бы вас подвесили над пропастью, привязав к ногам круизный лайнер. Ваши кости переламываются пополам, затем еще раз и еще раз, на крошечные кусочки.
Но погодите! Это еще не все: вас не просто растягивает в длину, вас еще сжимает. Ваш левый бок падает к центру черной дыры по слегка отличающейся траектории, чем та, к которой стремится правый бок. Оба пытаются упасть в центр дыры по прямой; поэтому на ваш правый бок действует сила, направленная влево, а на левый бок – направленная вправо. От этого вас сжимает, и эта сила тоже невероятно мощная, примерно такая же, как и сила растяжения. Вас растягивает и сжимает.
Вы – тюбик с зубной пастой в стальном кулаке черной дыры. Вы превращаетесь в тонкую «спагеттину» человеческой тянучки.
Когда ваши ступни – то, что когда-то было вашими ступнями, – находятся прямо над горизонтом событий черной дыры, в вас уже не узнать человека. Вас растянуло в невероятно тонкую линию, в километры длиной, как макаронную нить. Ученые называют этот процесс спагеттификацией.
И тут черная дыра, как будто бы оценив сравнение, засасывает вас, причмокивая.
Источник: http://batrachospermum.ru/2020/03/spaghettification/
