Что произойдет с формой галактики, когда сверхмассивная черная дыра, лежащая в ее центре, умрет (испарится)?

Что находится в центре Млечного Пути? В этой статье говорится, что в центре галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра.

В ее центре, окруженном 200-400 миллиардами звезд и не обнаруживаемом человеческим глазом и прямыми измерениями, находится сверхмассивная черная дыра, называемая Стрельцом A* или сокращенно Sgr A*. Млечный Путь имеет форму спирали и вращается вокруг своего центра, а длинные изгибающиеся рукава окружают слегка выпуклый диск. Именно на одном из этих рукавов, близко к центру, расположены Солнце и Земля. По оценкам ученых, галактический центр и Стрелец A* находятся на расстоянии от 25 000 до 28 000 световых лет от нас. Вся галактика составляет около 100 000 световых лет в поперечнике.

Мы вращаемся вокруг центра каждые 250 миллионов лет. Предположительно, мы вращаемся из-за ЧД.

Когда в нашей галактике погибнет черная дыра, нас выбросят с вращающейся орбиты?

Ожидается, что форма галактики изменится, не так ли? Это будет какая-то неправильная форма, а не сферическая?

Испарение черной дыры происходит настолько медленно, что пока поблизости есть крошечная частица газа, выпадение будет превышать испарение, и масса будет увеличиваться.
А черные дыры будут продолжать поглощать реликтовое излучение и звездное излучение, еще больше увеличивая свою массу, даже если они очистили свое окружение от газа и пыли.
Этот вопрос почти такой же: physics.stackexchange.com/questions/98186/…
@RossMillikan Но падение исходит от массы в центре галактики, в то время как излучение выходит из галактики. Сколько «вещества вблизи центра галактики находится в черной дыре» не имеет отношения к гравитации, которую производит центр галактики, важна только общая масса.
@Acccumulation: я согласен, но, похоже, ОП думал об испарении черной дыры, пока вокруг были звезды и нормальная галактика. Я хочу сказать, что черная дыра не испарится до тех пор, пока в регионе не останется материала, который мог бы ее кормить.
@Накопление Даже простое излучение откуда угодно (реликтовое излучение, другие галактики) достаточно сильное, чтобы более чем перевешивать потери из-за излучения Хокинга. Помните, черная дыра красивая, ну, черная. Это тень перед реликтовым излучением (то, что мы видим в рентгеновских вспышках и т. д., исходит из его окружения, а не из самой дыры).
Галактики испарятся задолго до того, как это сделают черные дыры. Этот вопрос похож на вопрос «Что будет с моим чаем, когда чайная ложка испарится?».

Ответы (6)

Предположительно мы вращаемся из-за ЧД.

Нет. Галактика держится как единое целое благодаря собственной гравитации. Черная дыра — лишь малая часть этого. По сути, БД не имеет значения.

Когда черная дыра умрет в нашей галактике

ЧД, вероятно, станет последним, что останется от нашей галактики в конце. И даже тогда потребуется невероятно много времени, чтобы он испарился. Испарение ЧД для очень больших ЧД — это, по сути, самый медленный процесс, который вы можете себе представить.

Это будет какая-то неправильная форма не сферическая?

Галактика не сферическая. Его форма больше похожа на круглый диск (с некоторыми неровностями и некоторыми особенностями, такими как руки и т. д.).

«Испарение ЧД для очень больших ЧД — это, по сути, самый медленный процесс, который вы можете себе представить». В несколько раз медленнее даже, чем (предсказанная) скорость распада протона!

Ответ: Не много

Центральная черная дыра (ЧД) Млечного Пути имеет массу около 5 миллионов солнц, а масса галактики — от 100 миллиардов до триллиона солнц. Следовательно, центральная ЧД практически не имеет отношения к динамике звездных орбит, за исключением того, что находится очень близко к центру.

Но что вы подразумеваете под «черной дырой умирает»? Вы имеете в виду испарение через излучение Хокинга? (Это единственный известный нам процесс, который может уничтожить ЧД, и он настолько медленный, что галактика исчезнет задолго до того, как испарится центральная черная дыра.)

Не забывайте, что излучение Хокинга все еще является теорией. Никто никогда не видел его на самом деле. ИМХО, стоит прочитать книгу Хокинга 1975 года о создании бумажных частиц черными дырами .
@Джон Даффилд: Очень хороший момент! Это настолько правдоподобно, учитывая вовлеченные теории и столько разговоров о нем, что мы склонны забывать, что это не доказано.
Это стоит прочитать Марк: arxiv.org/abs/physics/0501056
@Джон Даффилд: Это выглядит интересно. Однако обратите внимание, что он критикует термодинамическую интерпретацию ЧД, тогда как излучение Хокинга возникает в результате применения квантовой теории поля в контексте ОТО. Если я правильно понимаю, в принципе излучение Хокинга на самом деле не нуждается в ЧД, хотя трудно представить, что его можно наблюдать где-либо еще. Излучение Хокинга принимается за поддержку термодинамической интерпретации/аналогии/метафоры/чего бы то ни было, а не как следствие этого.
Есть и другие интересные материалы, такие как arxiv.org/abs/gr-qc/0607137 . Я рассмотрел все это довольно подробно.
Было бы неплохо, если бы мы могли как-то протестировать некоторые из этих вещей....
Люди утверждают, что да, но когда вы заглянете, скажем, на сайт nature.com/articles/nphys3863 , вы обнаружите, что аналогия с водопадом неверна. Эйнштейн отверг координаты Гюльстранда-Пенлеве по уважительной причине — мы не живем в каком-то маленьком цыплёнке, где пространство рушится.
Обратите внимание, что статья, в которой утверждается, что теория излучения Хокинга ошибочна, не публикуется и никем не цитируется. На самом деле у автора нет публикаций, но есть еще одна статья на arXiv, начинающаяся со слов « Наша вселенная, вероятно, огромная черная дыра ». Красный флаг!
@JohnDuffield Пожалуйста, говорите «гипотеза» вместо «теория», когда перед ним стоит «Просто ___»
@MarkOlson Ну, аналог излучения Хокинга есть даже в простой обшивке барабана с дыркой - хотя, конечно, в этом случае потерянными модами колебаний являются «звуковые волны», а не частицы. Если бы квантовой физики не существовало, это сильно мешало бы нашему пониманию. Просто это довольно трудно наблюдать, учитывая, насколько низки предсказанные потери энергии для черной дыры звездной массы. Лучшее известное мне доказательство состоит в том, что черные дыры должны формироваться в атмосфере Земли (и т. д.) все время, и все же они кажутся «исчезать» самостоятельно, а не расти без ограничений.
@wedstrom: подойдет.
Справедливости ради я просто отмечу, что точка зрения Джона Даффилда не является общепринятой в мейнстримном физическом сообществе. Статья, выступающая против Хокинга, пролежала в arXiv 13 лет и не публиковалась. На самом деле никто не утверждает, что измерял излучение Хокинга, в статье Nature прямо в названии написано «аналоговая черная дыра». Наконец, было бы крайне удивительно, если бы излучения Хокинга не существовало; в наши нынешние физические теории должны быть внесены радикальные изменения.
@Javier 22: Совершенно верно. Хотя важно признать, что излучение Хокинга никогда не наблюдалось, это, вероятно, потому, что у нас никогда не было инструментов, способных увидеть предсказанное излучение Хокинга. HR также является предсказанием комбинации двух очень хорошо проверенных теорий, работающих в неэкстремальных режимах. Это предсказание, но одно из самых безопасных. (Немного похоже на гравитационное излучение до открытия двойного пульсара Тейлора-Халса.)
@ Марк Я сомневаюсь, что у нас когда -нибудь будет технология, способная обнаруживать излучение Хокинга ЧД звездной массы. См. физику.stackexchange.com/q/406617/123208 Было бы сложно даже использовать зонд, падающий к ЧД. Зонд превратится в спагетти, если подойдет слишком близко: приливная сила 3 М ⊙ BH ломает 1-метровый вертикальный стальной стержень на расстоянии ~110 км. Кроме того, существуют другие сложности, влияющие на значения излучения Хокинга для разных наблюдателей вблизи ЧД, см. physics.stackexchange.com/q/22942/123208 .

Абсолютно ничего не осталось.

Говорят, что время испарения звездных черных дыр превышает период полураспада протона. Насколько больше галактических черных дыр. И, кстати, в настоящее время это время увеличивается, поскольку даже звездные черные дыры в настоящее время растут только за счет космического фонового излучения.

Прежде чем это произойдет, Вселенная должна пройти через промежуточную фазу черных дыр и пустого пространства.

Я думаю, что вопрос о падении реликтового излучения очень важен. Вселенная должна быть достаточно старой, чтобы фон был холоднее, чем излучение Хокинга от черной дыры, и мы должны рассмотреть, как к тому времени будет выглядеть галактика. Кроме того, галактика должна быть достаточно темной, чтобы часть, окружающая черную дыру, была холоднее излучения Хокинга, что как бы говорит вам, как она выглядит. Затем черная дыра начинает испаряться. Это просто термодинамика, а черная дыра такого размера невероятно холодная.
Я думаю, что из-за того, что излучение Хокинга настолько мало, черная дыра будет расти, потому что чистый поток излучения направлен внутрь, пока вокруг есть какие-либо источники излучения, даже если мы игнорируем реликтовое излучение. Теперь, если мы для развлечения предположим, что Вселенная достаточно стареет, чтобы остались только черные дыры, и если мы предположим, что некоторые из них все еще находятся в пределах горизонта событий друг друга, не будут ли они в какой-то момент находиться в термодинамическом равновесии, т. е. обмениваться равными количества радиации друг с другом?
Если протон распадается, то все, что мы знаем, это то, что если это произойдет, период полураспада должен быть абсурдно длинным. И, конечно же, если предположить, что нет никакого другого процесса, который в конечном итоге «уничтожил бы» все, кроме черных дыр.
@PeterA.Schneider Не забывайте, что Вселенная расширяется. Даже если в этот момент черные дыры находились в тепловом равновесии, расширение меняет это положение. В крайнем случае, в конце концов (если пространство-время продолжит расширяться, по крайней мере, с нынешними темпами) каждая черная дыра, не связанная гравитацией с другой черной дырой, окажется единственной в своей наблюдаемой Вселенной.
@Луан Правда. Однако наша местная группа гравитационно связана , так что Стрелец А* не будет одинок, пока все черные дыры не попадут в последнюю оставшуюся. Новые исследования показывают , что сам Стрелец A* уже имеет полутень из тысяч черных дыр.

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте посмотрим на следующие несколько миллиардов/триллионов/квадриллионов/? лет, и получить представление о размере нашей галактики и ее центральной черной дыры.

Первое, что происходит в связи с вашим вопросом, это то, что наша галактика и Андромеда сталкиваются и сливаются. Это происходит через несколько миллиардов лет. При слиянии галактик объединенная галактика существует, но может иметь другую форму, слившиеся центральные черные дыры и звезды (а в некоторых случаях даже одна или обе черные дыры) могут быть выброшены из объединенной галактики. Но галактика выстоит в той или иной форме.

Это потому, что галактика не удерживается вместе своей центральной черной дырой.

Ощущение масштаба: масса

В нашей галактике центральная ЧД имеет массу около 4-4,5 миллионов солнц .

Большую часть составляют звезды, газ и другая обычная барионная материя (несколько сотен миллиардов звезд, хотя многие из них являются красными карликами и меньше нашего Солнца). Обычная материя оценивается примерно в 600 миллиардов солнц , или примерно в 150 000 раз больше массы центральной черной дыры.

Но самая большая часть — это темная материя. Проще говоря, даже принимая во внимание всю вышеуказанную массу, галактика все равно не будет достаточно массивной, чтобы вращаться так, как она вращается. Расчеты показывают, что около 85% всей материи в нашей галактике составляет «темная материя» — тип материи, которая не состоит из обычных атомов, а, как предполагается, состоит из частиц, которые не могут взаимодействовать во многом, кроме как через гравитацию (так что мы не можем обнаружить его по излучению, он не образует планет, звезд или черных дыр и т. д.). Темная материя будет примерно в 3,5 триллиона солнц , или примерно в 850 000 раз больше массы центральной ЧД.

Таким образом, общая масса (обычная + темная материя) составляет около 4 триллионов солнц или примерно в миллион раз больше массы центральной черной дыры .

Ощущение масштаба: диаметр

Учитывая размер, а не массу, центральная ЧД, возможно, равна размеру орбиты Урана (около 12 световых часов в диаметре ).

Видимая галактика имеет диаметр около 100 000 световых лет , или примерно в 70 миллионов раз больше размера ЧД.

Протяженность гало темной материи менее определенна (и имеет менее определенный край), но в зависимости от того, какое исследование верно, может простираться от 500 000 до 1 миллиона световых лет в диаметре или что-то в этом роде (по памяти), или чуть менее полумиллиарда раз превышает размер ЧД.

Резюме

Центральная ЧД содержит около миллионной (0,0001%) массы галактики и около 2 миллиардных (0,0000002%) ее диаметра.

Таким образом, центральная черная дыра на самом деле, как ни странно, почти незначительна с точки зрения современной структуры нашей галактики. Возможно, это имело решающее значение для формирования галактики, но это было давным-давно. Это не текущая причина, по которой мы вращаемся, и это не причина, по которой мы остаемся на галактической орбите. Если она исчезнет или будет выброшена завтра, вообще ничего не изменится, за исключением сравнительно небольшого числа звезд в галактическом центре, которые вращаются непосредственно вокруг ЧД. Мы далеко не там. Мы находимся в спиральном рукаве.

Суть в том, что если центральная ЧД исчезнет или покинет нашу галактику, мы и наши потомки никогда не заметим, за исключением изменения в рентгеновском излучении из этого региона (обнаруженного радиотелескопами) и нескольких очень слабых звезды в этом регионе движутся немного по-разному на протяжении тысячелетий. Это все.

Но, как объясняют другие ответы, черной дыре требуется огромное время для испарения, поэтому на самом деле произойдут две вещи:

  • На шкале времени от миллиардов до триллионов лет. В какой-то момент сливающаяся галактика Млечный Путь/Андромеда (или галактика-преемница) сохранит, сольется или выбросит свою центральную ЧД. Это событие не станет «концом» галактики или звезд в ней, хотя объединенная галактика, вероятно, не будет иметь форму спирали; слившиеся галактики распространены. Объединенная галактика успокоится, и все продолжится.

  • В масштабах времени, недоступных человеческому пониманию (квадриллионы квадриллионов лет). Если наша Вселенная все еще существует в своей нынешней структуре, а стандартная модель и стандартная космология примерно верны, центральная ЧД в конце концов испарится . Но галактика (и все галактики, и большая часть материи) разложится задолго до того, как это произойдет.

Деталь: барионная материя галактики примерно в 150 000 раз больше массы Стрельца A*, а не в 100 000 000. Не то чтобы это сильно меняет ;-).
Источники, которые я нашел, заключались в том, что обычная масса составляет около 6 x 10 ^ 11 солнечных масс, а Стрелец A * составляет от 4 до 5 миллионов солнечных масс. 6x10^11/4x10^6 = 1,5x10^5 ..... и, видимо, я не умею считать в уме. Исправлено, спасибо!

Макроскопическая черная дыра не может уменьшиться, пока какой-либо источник излучения (как и другие галактики) находится в пределах видимости. Излучение Хокинга очень слабое; черные дыры не зря называются черными. На самом деле излучение Хокинга уже перевешивает только космическое микроволновое фоновое излучение для черных дыр тяжелее Луны. Это всего лишь функция температуры: фон Вселенной имеет температуру 2,72 К — чтобы излучать больше излучения, чем поглощает, черная дыра должна быть горячее, а для этого требуется масса меньше массы Луны . Черные дыры с солнечной массой имеют низкую температуру порядка 6E-8 K. Это означает, что даже при отсутствии какой-либо материи, которую она могла бы поглотить, и при отсутствии какого-либо определенного источника излучения массивная черная дыра все равно будет расти, а не сжиматься.

В случае со Стрельцом А* вокруг много материи и излучения, а именно наша галактика, которая в конечном итоге упадет в черную дыру, если ее не тревожить достаточно долгое время. Получившаяся супер-пупер-массивная черная дыра будет супер-пупер-холодной (около E-19K, плюс-минус несколько порядков) и сможет питаться даже от постоянно более холодного микроволнового фона в течение длительного времени. Только когда все поглощено или исчезло за горизонтом событий, оно вообще может начать сжиматься. А поскольку он очень-очень холодный, он будет сжиматься очень-очень медленно.

Однако более вероятно, что этому испарению будут предшествовать другие события. В этой статье описывается, как в далеком будущем — скажем, через 100 миллиардов лет — ускоряющееся расширение Вселенной оставит нас на гравитационно связанном острове нашей локальной группы, потому что все остальное «расширяется».

В какой-то момент черные дыры на этом острове поглотят все окружающее вещество, пока не останутся только вращающиеся вокруг них черные дыры. В конце концов они упадут друг на друга, потому что теряют кинетическую энергию из-за гравитационных волн. Конечным сценарием является одиночная гигантская черная дыра, которая вращается с невероятной скоростью (что затрудняет оценку температуры). Вполне возможно, что в какой-то момент этого процесса фоновое излучение станет холоднее, чем черная дыра (дыры), так что все более массивные черные дыры действительно, наконец, начнут испаряться. Хотя очень - очень медленно.

Возможно, это описывает рождение другой вселенной? Очевидно, с меньшей массой, чем наша «нынешняя» Вселенная, которая, возможно, «родилась» точно так же — как гравитационный остров из более ранней Вселенной и т. д.
@BobJarvis Это совместимо. Ли Смолин развил и популяризировал идею Джона Уилера и Брайса ДеВитта в своей книге «Жизнь космоса» . Основная идея заключается в мультивселенной, в которой разнообразное население вселенных эволюционирует с течением времени: некоторые размножаются, а некоторые, менее оснащенные, умирают или, по крайней мере, не размножаются. Размножение происходит через черные дыры; любая вселенная, чьи законы природы — особенно сила различных сил — таковы, что материя не конденсируется с образованием черных дыр, является эволюционным тупиком. (продолжение)
... Этот элегантный аргумент обеспечивает основное объяснение того, почему мы живем во вселенной, подобной нашей: это потомок эволюционной линии, способной производить черные дыры и, таким образом, производить потомство. Аргумент расширяет антропный принцип до «универсального» принципа: вселенная, которую мы наблюдаем, такая, какая она есть, не только потому, что она поддерживает разумную жизнь, но и потому, что она поддерживает вселенные. Кроме того, это также целостная парадигма Гайи (питательная среда — это живое существо).
Я подозреваю, что реликтовое излучение достаточно остынет, чтобы малые и средние частицы испарились ДО того, как они сольются из-за гравитационного излучения. По крайней мере, не очевидно, в каком порядке происходят эти события.
@SteveLinton Правда ... Хотя это также гонка, потому что, пока материя падает (включая случайную черную дыру), температура оставшихся черных дыр значительно снижается. Я имею в виду, что 1E-8 K уже довольно холодно, и это обычная дыра.

Испарение сверхмассивных черных дыр займет миллиарды лет, и, таким образом, гравитационное притяжение ослабнет через очень долгое время. Это приведет к расширению галактики и распространению всей системы звезд и газов во Вселенной. Но излучение Хокинга — очень медленный процесс, даже возможно, что к этому времени все топливо звезд (водород) сгорит, что приведет к полной темноте.

-1. Это в основном неправильно. Как отмечалось в других ответах, время, необходимое для испарения черных дыр, значительно превышает «миллиарды лет», а галактические черные дыры составляют относительно небольшую часть массы галактики и не являются тем, что удерживает галактику вместе.
@Chappo Не говоря уже о том, что макроскопические черные дыры вообще не сжимаются и никогда не будут сжиматься , пока что - то находится внутри горизонта событий - излучение Хокинга слишком слабое, чтобы компенсировать поглощенное излучение космической среды.
Верно. Приятно поддержать другого пользователя SE, который использует изображение Мандельброта в своей иконке/аватаре :-)
@Чаппо Верно! Они, так сказать, метафора на многих уровнях ;-). Например, не чураться осложнений осложнений
Что произойдет с формой галактики, когда сверхмассивная черная дыра, лежащая в ее центре, умрет (испарится)?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v