Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о термине компьютерного программирования, см. Спагетти-код .
Астронавт падает в черную дыру (схематическая иллюстрация эффекта спагеттификации)
Приливные силы, действующие на сферическое тело в неоднородном гравитационном поле. Эффект исходит от источника справа на этой диаграмме. Более длинные стрелки указывают на более сильные силы.

В астрофизике , спагеттификацию (иногда называют лапшу эффекта ) [1] является растяжением по вертикали и по горизонтали сжатия объектов в длинные тонкие формы (а , как спагетти ) в очень сильном неоднородном гравитационном поле ; это вызвано экстремальными приливными силами . В самых крайних случаях вблизи черных дыр растяжение настолько велико, что ни один объект не может ему противостоять, независимо от того, насколько сильны его компоненты. В пределах небольшой области горизонтальное сжатие уравновешивает вертикальное растяжение, так что небольшие объекты, подвергаемые спагеттификации, не испытывают чистого изменения объема.

Стивен Хокинг описал полет вымышленного астронавта, который, проходя в пределах горизонта событий черной дыры , «растянут, как спагетти», гравитационным градиентом (разницей в силе) с головы до ног. [2] Причина, по которой это происходит, может быть в том, что сила тяжести, создаваемая сингулярностью, будет намного сильнее на одном конце тела, чем на другом. Если бы кто-то упал в черную дыру ногами первым, гравитация у их ног была бы намного сильнее, чем у их головы, что заставило бы человека растянуться по вертикали. При этом правая сторона тела будет тянуться влево, а левая сторона тела - вправо, горизонтально сжимая человека.[3] Однако термин «спагеттификация» появился задолго до этого. [4] Спагеттификация звезды была впервые получена в 2018 году исследователями, наблюдавшими пару сталкивающихся галактик примерно в 150 миллионах световых лет от Земли. [5]

Простой пример [ править ]

Спагеттификация четырех объектов, падающих на планету

В этом примере четыре отдельных объекта находятся в пространстве над планетой и расположены в форме ромба. Четыре объекта следует линиям на gravitoelectric поля , [6] направлено к центру небесного тела. В соответствии с законом обратных квадратов , самый нижний из четырех объектов испытывает наибольшее гравитационное ускорение, так что все образование вытягивается в линию.

Эти четыре объекта являются соединенными частями более крупного объекта. Твердое тело будет сопротивляться деформации, и внутренние упругие силы будут развиваться по мере деформации тела, чтобы уравновесить приливные силы, таким образом достигая механического равновесия . Если приливные силы слишком велики, тело может подойти и пластически течь до того, как приливные силы смогут уравновеситься, или сломаться, образуя либо нить, либо вертикальную линию обломков.

Примеры слабых и сильных приливных сил [ править ]

В поле силы тяжести, обусловленном точечной массой или сферической массой, для однородного стержня, ориентированного в направлении силы тяжести, растягивающая сила в центре находится путем интегрирования приливной силы от центра к одному из концов. Это дает F =мкм лм/4 г 3, где μ - стандартный гравитационный параметр массивного тела, l - длина стержня, m - масса стержня, r - расстояние до массивного тела. Для неоднородных объектов сила натяжения меньше, если больше массы находится рядом с центром, и до двух раз больше, если больше массы находится на концах. Вдобавок к центру действует горизонтальная сила сжатия.

Для массивных тел с поверхностью сила растяжения является наибольшей у поверхности, и это максимальное значение зависит только от объекта и средней плотности массивного тела (если объект мал по сравнению с массивным телом). Например, для стержня массой 1 кг и длиной 1 м и массивного тела со средней плотностью Земли эта максимальная растягивающая сила, обусловленная приливной силой, составляет всего 0,4 мкН.

Из-за высокой плотности приливная сила у поверхности белого карлика намного сильнее, в этом примере максимальная сила растяжения достигает 0,24 Н. Вблизи нейтронной звезды приливные силы снова намного сильнее: если стержень имеет прочность на разрыв 10000 Н и падает вертикально на нейтронную звезду массой 2,1 солнечной массы, не считая того, что она расплавится, она разорвется на расстоянии 190 км от центра, значительно выше поверхности (нейтронная звезда обычно имеет радиус всего около 12 км). [примечание 1]

В предыдущем случае объекты на самом деле были бы уничтожены, а люди - убиты жарой, а не приливными силами - но вблизи черной дыры (при условии, что поблизости нет материи) объекты будут фактически уничтожены, а люди убиты приливными силами, потому что радиации нет. Более того, у черной дыры нет поверхности, чтобы остановить падение. Таким образом, падающий объект растягивается в тонкую полоску материи.

Внутри или за пределами горизонта событий [ править ]

Крупный план звезды возле сверхмассивной черной дыры (впечатление художника). [7]

Точка, в которой приливные силы разрушают объект или убивают человека, будет зависеть от размера черной дыры. Для сверхмассивных черных дыр , таких как те, что находятся в центре галактики, эта точка находится в пределах горизонта событий , поэтому астронавт может пересечь горизонт событий, не замечая какого-либо сдавливания и натяжения, хотя это остается лишь вопросом времени, как когда-то внутри горизонт событий, падение к центру неизбежно. [8] Для маленьких черных дыр, радиус Шварцшильда которых намного ближе к сингулярности , приливные силы убьют даже до того, как астронавт достигнет горизонта событий. [9] [10] Например, для черной дыры массой 10 масс Солнца [примечание 2]вышеупомянутый стержень разрывается на расстоянии 320 км, далеко за пределами радиуса Шварцшильда 30 км. Что касается сверхмассивной черной дыры массой 10 000 Солнца, она разорвется на расстоянии 3200 км, то есть внутри радиуса Шварцшильда 30 000 км.

Примечания [ править ]

  1. ^ 8-метровая штанга такой же прочности, массой 8 кг, ломается на расстоянии в 4 раза выше. [ необходима цитата ]
  2. ^ Самая маленькая черная дыра, которая может быть образована естественными процессами на нынешнем этапе развития Вселенной, имеет более чем в два раза массу Солнца. [ необходима цитата ]

Ссылки [ править ]

Встроенные цитаты
  1. ^ Уиллер, Дж. Крейг (2007), Космические катастрофы: взрывающиеся звезды, черные дыры и картографирование Вселенной (2-е изд.), Cambridge University Press , стр. 182, ISBN 978-0-521-85714-7
  2. ^ Хокинг, Стивен (1988). Краткая история времени . Издательская группа Bantam Dell. п. 256. ISBN 978-0-553-10953-5.
  3. ^ Астрономия . OpenStax. 2016. с. 862. ISBN 978-1938168284.
  4. ^ Например, Calder, Nigel (1977). Ключ ко Вселенной: отчет о новой физике (1-е изд.). Викинг Пресс . С.  199 . ISBN 978-0-67041270-9., спутник одноразового документального фильма BBC TV: The Key to the Universe .
  5. ^ "Астрономы видят отдаленное извержение, как черная дыра разрушает звезду" (пресс-релиз). Национальная радиоастрономическая обсерватория. Phys.org. 2018-06-14 . Проверено 15 июня 2018 .
  6. ^ Торн, Кип С. (1988). «Гравитомагнетизм, струи в квазарах и Стэнфордский гироскопический эксперимент» (PDF) . В Fairbank, J. D .; Deaver, Jr., B.S .; Everitt, C. F .; Майклсон, П. Ф. (ред.). Рядом с нулем: новые рубежи физики . Нью-Йорк : В. Х. Фриман и компания . С. 3, 4 (575, 576). Из нашего электродинамического опыта мы можем сделать вывод сразу , что любое вращающееся сферическое тело (например, солнце или земля) будет окружены радиальным gravitoelectric (ньютоновский) поля г и биполярным gravitomagnetic поля H . Гравитоэлектрический момент монополя - это масса тела M; гравитомагнитный дипольный момент - это его спиновый угловой момент S.
  7. ^ "Вращающаяся черная дыра, проглатывающая звезду, объясняет сверхсветовое событие - телескопы ESO помогают переосмыслить блестящий взрыв" . www.eso.org . Проверено 15 декабря 2016 .
  8. ^ Хоули, Джон Ф .; Холкомб, Кэтрин А. (2005). Основы современной космологии (иллюстрированный ред.). Издательство Оксфордского университета. п. 253. ISBN. 978-0-19-853096-1. Выдержка страницы 253
  9. ^ Хобсон, Майкл Пол; Efstathiou, Джордж; Ласенби, Энтони Н. (2006). «11. Черные дыры Шварцшильда» . Общая теория относительности: введение для физиков . Издательство Кембриджского университета. п. 265. ISBN 0-521-82951-8.
  10. ^ Катнер, Марк Лесли (2003). «8. Общая теория относительности» . Астрономия: физическая перспектива (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 150. ISBN 0-521-52927-1.
Общие ссылки
  • Мелия, Фульвио (2003). Черная дыра в центре нашей галактики . Издательство Принстонского университета . ISBN 0-691-09505-1.

Внешние ссылки [ править ]

  • Нил ДеГрасс Тайсон: Смерть от черной дыры (четкое объяснение термина)