Люди, как спагетти. Что произойдет, если Земля внезапно превратится в черную дыру

Фото: Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado
Фото: Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

Ученые пофантазировали в рамках маловероятного сценария, в котором Земля внезапно превращается в черную дыру. Эксперты поэтапно рассказали, что в таком случае произойдет с людьми и самой планетой.

Черная дыра - это область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что никакие частицы или даже электромагнитное излучение, такое как свет, не может из нее выйти.

Прямое предсказание уравнений Эйнштейна, а именно работа Роджера Пенроуза, удостоенная Нобелевской премии, не только продемонстрировала, что черные дыры могут реально образовываться в нашей Вселенной, но и показала, как именно это происходит. Как оказалось, гравитация не обязательно должна быть единственной силой, она должна быть доминирующей, пишет Forbes.

Когда материя коллапсирует, она пересекает критический порог количества массы в определенном объеме, что приводит к формированию горизонта событий. Однако через некоторое время, любой неподвижный объект, независимо от того, насколько далеко от горизонта событий он находился изначально, пересечет этот горизонт и столкнется с центральной сингулярностью.

Если каким-то образом отключить электромагнитные и квантовые силы, удерживающие Землю от гравитационного коллапса, она быстро превратится в черную дыру.

Главной причиной, почему Земля устойчива против гравитационного коллапса, заключается в том, что силы между составляющими ее атомами достаточно велики, чтобы противостоять кумулятивной силе гравитации, создаваемой всей ее массой. И в этом нет ничего удивительного, если рассмотреть гравитационную и электромагнитную силу между двумя электронами, можно обнаружить, что вторая была сильнее примерно в 1042 раза.

Однако в ядрах достаточно массивных звезд ни электромагнитная сила, ни даже принцип исключения Паули не могут противостоять силе, вызывающей гравитационный коллапс. Если радиационное давление ядра падает ниже критического порога, сжатие в черную дыру становится неизбежным.

Несмотря на то, что для этого потребовался бы какой-то волшебный процесс, такой как мгновенная замена земной материи темной или отключение негравитационных сил, можно представить, что произойдет, если это случится.

Во-первых, материал, образующий твердую Землю, немедленно начнет ускоряться, как если бы он находился в совершенно свободном падении, к центру Земли. В центральной области будет накапливаться масса, ее плотность со временем начнет расти, а объем этого материала уменьшаться по мере его ускорения к центру, в то время как масса останется прежней.

В течение нескольких минут плотность в центре начнет значительно увеличиваться, поскольку материал всех разных радиусов проходит через точный центр масс Земли одновременно.

Примерно через 10-20 минут в центре накопится достаточно материи, чтобы впервые сформировать горизонт событий. Еще через несколько минут вся масса Земли превратится в черную дыру диаметром всего 1,75 см.

Важно
Нобелевскую премию по физике присудили за исследования черных дыр
Нобелевскую премию по физике присудили за исследования черных дыр

Если бы такое произошло в действительности, что бы испытали люди на поверхности Земли? Верьте или нет, но физическая история, которую мы испытаем в этом сценарии, будет идентична тому, что произошло бы, если бы мы заменили Землю черной дырой с массой идентичной земной.

Пока мы будем падать, черная дыра начнет искажать пространство вокруг нас, что приведет к искривлению света из-за гравитационного линзирования.

Однако если материал, из которого состоит Земля, все же сможет излучать или отражать рассеянный свет, он останется непрозрачным, и тогда мы сможем увидеть, что происходило с поверхностью под нашими ногами, когда мы падали.

В любом случае, первое, что произойдет - это переход от состояния покоя к состоянию свободного падения: 9,8 м / с2 по направлению к центру Земли.

Однако в отличие от большинства свободных падений, которые мы испытываем на Земле (например, прыжки парашютиста из самолета), этот опыт падения будет поистине жутким и длительным:

  • вы не почувствуете, как ветер проносится мимо вас, вместо этого воздух ускорится к центру Земли с той же скоростью, что и вы;
  • силы сопротивления не будет и вы никогда не сможете развить максимальную скорость;
  • падать вы будете все быстрее и быстрее с течением времени;
  • как только начнется свободное падение, вы испытаете чувство "поднимающегося живота" (ощущение, будто вы находитесь на вершине американский горки);
  • вы испытаете полную невесомость и не сможете почувствовать, насколько быстро падаете;
  • ваше ускорение будет увеличиваться по мере приближения к центральной сингулярности.

Согласно классической теории тяготения Ньютона - каждый раз, когда расстояние до точки уменьшаетя вдвое, гравитационное ускорение увеличивается в четыре раза. А эйнштейновская гравитация в свою очередь утверждает, что ускорение будет увеличиваться в разы существенней.

Когда вы начнете двигаться к центру Земли, то:

  • на полпути к центру Земли, на расстоянии ~ 3187 км, будете падать со скоростью 11 км / с,
  • приблизившись на 90% к центру Земли, на расстоянии ~ 637 км, со скоростью 34 км / с,
  • приблизившись на 99% к центру Земли, на расстоянии ~ 64 км, со скоростью 112 км / с,
  • а добравшись до центра в 1 км, со скоростью 895 км / с,

И даже если вы будете всего в миллисекунде от горизонта событий, вы никогда не почувствуете, каково это туда попасть.

Важно
Космический телескоп Hubble засек пропавшее звено в эволюции черных дыр
Космический телескоп Hubble засек пропавшее звено в эволюции черных дыр

Это потому, что ваше тело, по мере того как вы падаете все ближе к центру разрушающейся Земли начинает испытывать огромное увеличение приливных сил. Обычно мы ассоциируем приливы с Луной, но здесь действует та же физика.

В гравитационном поле каждая точка вдоль любого тела будет испытывать гравитационную силу, направление и величина которой определяются их смещением от массы, к которой они притягиваются.

Для сферы, подобной Луне, точка, ближайшая к массе, будет притягиваться больше всего, точка, наиболее удаленная от нее, будет притягиваться меньше, а точки, находящиеся вне центра, будут преимущественно притягиваться к центру.

В то время как сам центр имеет среднее притяжение, точки вокруг него будут испытывать разные уровни, которые растягивают объект по направлению притяжения, а сжимают в перпендикулярном направлении. Здесь, на поверхности Земли, эти приливные силы, действующие на человека - ничтожны. Но по мере того, как вы приближаетесь к центру Земли, они увеличиваются каждый раз, когда вы сокращаете расстояние вдвое.

К тому времени, когда вы пересечете 99% пути к центру Земли, сила, отталкивающая ваши ноги от туловища и голову от ступней, достигнет примерно 50 кг. Когда вы испытываете на своем теле силу, эквивалентную ускорению свободного падения на Земле, или силу, равную вашему весу, с научной точки зрения это называется "1g".

В течение короткого периода времени американские горки могут перенести нагрузку до 5 или 6 g, а пилоты истребителей до 12-14 g, но только в герметичном скафандре. Люди же могут выдержать чрезвычайно короткие (менее секунды) ускорения от 40 до 70 g, но риск смерти при этом все равно вполне реален.

К тому времени, когда вы достигнете примерно 25 км от центральной сингулярности, вы пересечете критический порог, место где эти приливные силы вызовут травматическое растяжение вашего позвоночника. А чуть дальше, примерно в 14 км, ваши суставы начнут выходить из суставных ямок, как это происходит, когда человека четвертуют.

Поэтому, чтобы приблизиться к самому горизонту событий, вам нужно каким-то образом защитить себя от этих приливных сил, которые разорвут ваши отдельные клетки и даже, составляющие вас отдельные атомы и молекулы, прежде чем вы пересечете горизонт событий.

Этот эффект растягивания в одном направлении при сжатии вас в другом известен как спагеттификация, и именно так черные дыры убивают и разрывают на части любое существо, которое рискнет приблизиться к горизонту событий, где пространство слишком сильно искривлено.

Но каким бы зрелищным ни было падение в черную дыру, вы бы все равно никогда не испытали его на себе. Все, что вы бы смогли - прожить примерно 21 минуту в невероятно странном состоянии. Воздух вокруг двигался бы с той же скоростью, с которой вы бы находились в свободном падении. Со временем атмосфера начнет сгущаться, а давление воздуха увеличиваться, так как все в мире ускоряется к центру, а объекты, не прикрепленные к земле, будут приближаться к вам со всех сторон.

Важно
Слияние черных дыр сияет в триллионы раз ярче Солнца, – ученые
Слияние черных дыр сияет в триллионы раз ярче Солнца, – ученые

Но по мере приближения к центру и увеличения скорости вы не сможете почувствовать свое движение в пространстве. Вместо этого вы начнете ощущать неприятную приливную силу, как если бы отдельные составные части вашего тела были растянуты изнутри. Эти спагеттифицирующие силы исказили бы ваше тело в форму лапши, причинив боль, потерю сознания и смерть, а труп был бы раздроблен.

В конечном счете, как и все на Земле, мы будем поглощены черной дырой, просто немного увеличив ее массу.