Les trous noirs nous semblent être quelque chose de lointain, sur lequel ils font parfois des films ou écrivent dans des livres. Nous pensons rarement à ce qui se passerait si un trou noir miniature d'un diamètre d'un millimètre apparaissait à la surface de notre planète. À propos de cela - dans notre matériel.
Il y a une idée fausse populaire associée aux trous noirs: ils sont une sorte d'aspirateurs spatiaux qui consomment tout ce qui se trouve dans leur environnement. Bien sûr, ils «se nourrissent», mais leur estomac est petit. Le problème n'apparaît pas quand ils «mangent», mais lorsqu'ils «vomissent» après trop de dîner. C'est vraiment effrayant.
C'est en fait un peu plus compliqué. Sur la base du fait que le rayon d'un trou noir est proportionnel à sa masse, certains calculs peuvent être effectués. Tout d'abord, revoyons certaines des bases.
Qu'est-ce qu'un trou noir
Un trou noir est une région de l'espace dans laquelle la gravité est si forte que même la lumière ne peut pas la quitter. La force de gravité y fait plier et verrouiller le tissu même de l'espace-temps sur lui-même. Tout cela se produit en raison de la compression de la matière - le plus souvent, ce sont les restes d'une étoile massive - dans une région extrêmement petite.
La structure du trou noir: singularité, horizon des événements et rayon de Schwarzschild (la région de la singularité à l'horizon des événements).
En fait, nous ne pouvons pas voir les trous noirs car la lumière ne peut pas en sortir. Il s'avère que pour sortir du trou noir, tout objet doit développer une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière, qui, à son tour, se déplace à une vitesse de 299 792 458 mètres par seconde. A titre de comparaison, la vitesse de fuite pour vaincre la gravité terrestre n'est que de 11,2 kilomètres par seconde. Cependant, si nous lançons une fusée depuis une planète qui pèse autant que la Terre, mais la moitié du diamètre, alors la vitesse de fuite serait de 15,8 kilomètres par seconde. Même si l'objet avait la même masse, la vitesse d'échappement serait plus élevée en raison de sa plus petite taille, et donc, de sa densité plus élevée.
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Et si nous réduisions encore plus l'objet? Si nous compressons la masse terrestre en une sphère d'un rayon de neuf millimètres, la vitesse de fuite atteint la vitesse de la lumière. Si cette masse est comprimée dans une sphère encore plus petite, la vitesse de fuite dépassera la vitesse de la lumière. Mais puisque la vitesse de la lumière est la limite cosmique de la vitesse, rien ne peut quitter cette sphère.
Le rayon auquel la masse a une vitesse d'échappement égale à la vitesse de la lumière est appelé le rayon de Schwarzschild. Tout objet plus petit que son rayon Schwarzschild est un trou noir. En d'autres termes, tout objet avec une vitesse d'échappement supérieure à la vitesse de la lumière est un trou noir. Pour fabriquer un tel objet à partir du Soleil, il devra être compressé dans un rayon d'environ trois kilomètres.
Un trou noir a deux parties principales: la singularité et l'horizon des événements. La taille de l'horizon des événements d'un trou noir est considérée comme sa taille car elle peut être calculée et mesurée.
L'horizon est également considéré comme le «point de non-retour» au voisinage du trou noir. Ce n'est pas une surface physique, mais une sphère entourant une singularité qui marque une frontière, dont la vitesse de fuite est égale à la vitesse de la lumière. Le rayon de cette zone est le rayon même de Schwarzschild.
Dès que la matière est au-delà de l'horizon des événements, elle commence à tomber vers le centre du trou noir. Avec une gravité aussi forte, la matière est comprimée en un point - un volume incroyablement petit de densité folle. Ce point est une singularité. Il est négligeable et, selon les modèles théoriques modernes, a une densité infinie. Il est fort possible que les lois de la physique que nous connaissons soient violées à la singularité. Les scientifiques explorent activement cette question afin de comprendre ce qui se passe dans les singularités, ainsi que pour développer une théorie complète décrivant ce qui se passe au centre d'un trou noir.
Faisons quelques calculs
Voyons ce que nous pouvons apprendre sur un trou noir d'un millimètre. Selon les calculs, un tel trou noir avec un rayon de Schwarzschild aura une masse de 7 x 10 ^ 23 kilogrammes - plus de cinq masses de la Lune (selon la formule R = 2MG / c ^ 2, où R est le rayon de Schwarzschild, M est la masse de l'objet, G est la gravité constante, et c est la vitesse de la lumière).
Le rapport entre la Terre et le Soleil est de trois parties pour un million. Ainsi, si la Terre devenait un trou noir, son rayon ne serait que de neuf millimètres. Par conséquent, un trou noir d'un millimètre aurait une masse de 11% de la masse de la Terre. Nous aurions certainement des problèmes avec les 11% de masse supplémentaire sur la planète.
Il suffit même que la gravité totale de la Terre augmente sensiblement. Cette gravité supplémentaire suffirait à changer l'orbite de la Lune, de sorte qu'elle pourrait simplement voler hors de son orbite actuelle et commencer à se déplacer sur une orbite elliptique.
Le paraboloïde de Flamm représentant l'espace-temps au-delà de l'horizon de croissance des événements du trou noir de Schwarzschild.
Où est ce trou noir imaginaire - à la surface, au centre de la Terre, ou tourne autour de lui? Supposons que ce soit à la surface de la planète. La zone de son influence gravitationnelle serait d'environ un tiers du rayon de la Terre - environ 2124 kilomètres.
Toute la matière à proximité immédiate de ce trou noir microscopique en ressentirait immédiatement une forte gravité, et le trou, à son tour, absorberait tout sur le chemin du centre de la Terre, qu'il atteindrait en environ 42 minutes à partir du moment où il est apparu. Il voyagerait à travers le noyau de la Terre et atteindrait l'autre côté de la surface de la Terre à peu près au même moment.
Si un trou noir apparaissait à la surface avec une vitesse relative inférieure à 12 km / h, il tournerait autour de la planète bleue avec sa zone gravitationnelle. En termes simples, c'est la destruction de la croûte terrestre et de la majeure partie de son manteau. Et si c'est encore plus simple, cela signifie la mort de toute vie à la surface de la Terre.
Taux d'accrétion et limite d'Eddington
La plus grande partie de la masse terrestre autour du trou noir deviendra de la nourriture et sera augmentée par elle. Avant de tomber dans un trou noir, cependant, tout ce matériau devra perdre son moment cinétique - c'est pourquoi il commencera à tourner autour de lui, formant un disque d'accrétion.
Ce matériau produit beaucoup de chaleur, qui finira par être rayonnée. Le rayonnement a une pression qui ralentira davantage l'accrétion. Ces deux effets s'équilibrent - c'est ce qu'on appelle la limite d'Eddington.
Accréter le trou noir du point de vue de l'artiste
La limite d'Eddington impose également une limite stricte au degré d'accrétion d'un trou noir. Un petit disque d'accrétion aurait très probablement une température d'environ six mille Kelvin - à peu près la même que le noyau de la Terre ou la surface du Soleil.
Certains processus de friction se produiraient entre le disque d'accrétion et la masse terrestre, à la suite desquels un trou noir microscopique se déposerait dans le noyau de la planète.
Mort dans un trou noir
En général, il faudrait cinq milliards d'années à un tel trou noir pour avaler la Terre. Cela augmenterait considérablement la masse de la Terre. Et, bien sûr, cela créerait immédiatement un chaos complet sur la planète, qui en quelques heures à peine se transformerait en un morceau d'espace inhabité composé de croûte qui s'effondre, de lave, de gaz chauds et tout le reste.
La vie deviendrait impossible et la masse élevée du trou noir pourrait détruire la ceinture d'astéroïdes. Ceci, à son tour, pourrait conduire à de fréquentes collisions dans le système solaire au cours du prochain million d'années. La lune continuerait à tourner autour de la Nouvelle Terre (trou noir), mais sur une orbite elliptique très allongée.
Le trou noir ne se déplacerait pas immédiatement vers le centre de la Terre, mais au contraire, il tournerait autour d'elle pendant un certain temps, mais à la fin, il y parviendrait. Comprendre comment ce trou noir microscopique se développerait en masse nécessite des calculs et des simulations complexes.
Tout cela peut être résumé dans les mots du célèbre astrophysicien et vulgarisateur scientifique Neil DeGrasse Tyson:
Vladimir Guillen