ทำไมหลุมดำในกาแลคซีถึงไม่ดูดกาแลคซีทั้งหมด?

ตามที่ระบุไว้ในหลายแหล่งมันควรจะว่าในกาแลคซีทุกแห่งมีหลุมดำอยู่ตรงกลาง

คำถามของฉันคือทำไมหลุมดำเหล่านี้ในใจกลางกาแลคซีจึงไม่ดูดกลืนสิ่งรอบตัวในกาแลคซี

คุณไม่ควรนึกถึงหลุมดำว่าเป็น "ดูดสิ่งต่าง ๆ " หลุมดำโต้ตอบกับสสารผ่านแรงโน้มถ่วงเหมือนกับวัตถุอื่นใด นึกถึงระบบสุริยะของเรา ดาวเคราะห์ทุกดวงโคจรรอบดวงอาทิตย์เพราะมันมีมวลมาก เนื่องจากดาวเคราะห์มีการเคลื่อนที่ด้านข้างบางส่วน (พวกมันไม่ได้เคลื่อนที่โดยตรงหรือออกไปจากดวงอาทิตย์) พวกมันจึงวนรอบมัน นี้เป็นที่รู้จักกันอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม

เมื่อพูดถึงแรงโน้มถ่วงสิ่งที่สำคัญคือมวลของวัตถุที่เกี่ยวข้อง ไม่สำคัญว่ามันเป็นวัตถุชนิดใด * หากคุณจะแทนที่ดวงอาทิตย์ด้วยหลุมดำที่มีมวลเท่ากันกับดวงอาทิตย์ของเราดาวเคราะห์จะยังคงอยู่ในวงโคจรที่แน่นอนเหมือนเดิม

ตอนนี้หลุมดำที่ใจกลางกาแลคซีเกลียวส่วนใหญ่สะสมมวล หลุมดำเหล่านี้บางแห่งมีดิสก์สะสมรอบตัว เหล่านี้คือดิสก์หมุนวนของก๊าซและฝุ่นละอองที่ตกลงไปในหลุมดำอย่างช้าๆ อนุภาคก๊าซและฝุ่นเหล่านี้สูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมผ่านการมีปฏิสัมพันธ์กับก๊าซและฝุ่นบริเวณใกล้เคียงและโดยการแผ่พลังงานเป็นความร้อน หลุมดำเหล่านี้บางแห่งมีดิสก์สะสมมวลมากและสามารถสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวนมหาศาลได้ สิ่งเหล่านี้เรียกว่านิวเคลียสกาแลกติก (active galactic nuclei )

ดังนั้นเรื่องสั้นที่ยาวนานหลุมดำจึงไม่ "ดูด" พวกเขามีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งต่างๆ ดาวแก๊สและสสารอื่น ๆ ในกาแลคซีมีโมเมนตัมเชิงมุมดังนั้นมันจึงอยู่ในวงโคจรรอบใจกลางกาแลคซี มันไม่ได้ตกหลุมนี่เป็นเหตุผลเดียวกันที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์

* ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: เมื่อคุณพูดถึงสิ่งต่าง ๆ เช่นพลังคลื่นคุณจำเป็นต้องคำนึงถึงขนาดของวัตถุ แต่สำหรับกลไกการโคจรเราไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับมันเพราะระยะทางระหว่างวัตถุนั้นใหญ่กว่าวัตถุมาก

ครั้งหนึ่งฉันเคยได้ยินการ์ตูน / ภาพยนตร์ / รายการญี่ปุ่นที่โจรสลัดในอวกาศขู่ว่าจะบีบตัวดาวเคราะห์จูปิเตอร์ให้กลายเป็นหลุมดำและทำลายกาแลคซีทางช้างเผือกครึ่งหนึ่ง

ดูเหมือนว่าความคิดที่น่าสนใจ แต่ ... แม้ว่าคุณสามารถบีบอัดดาวพฤหัสบดีลงในหลุมดำมวลของมันจะยังคงเหมือนเดิมซึ่งหมายความว่าดาวพฤหัส (ตอนนี้เป็นหลุมดำ) จะยังคงเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ของเราในวงโคจรเดียวกัน และดวงจันทร์ของดาวพฤหัสจะยังคงโคจรรอบดาวพฤหัสอย่างที่เคยทำมาก่อน

หลายคนคิดว่าเมื่อดาวดวงหนึ่งยุบตัวลงไปในหลุมดำพลังการดูดของมันจะเพิ่มขึ้น นี่ไม่ใช่กรณี เชื่อหรือไม่ว่าดาวหลายดวงนั้นมีมวลน้อยกว่าเมื่อพวกมันกลายเป็นหลุมดำมากกว่าเมื่อก่อนที่พวกมันจะส่องแสงดาว นี่เป็นเพราะในตอนท้ายของชีวิตของพวกเขาดาวบางดวงได้แยกชั้นส่วนสำคัญของชั้นนอกออกสู่อวกาศก่อนที่พวกเขาจะยุบลงในหลุมดำ

ฉันได้อ่านแล้วว่าถ้าคุณบีบโลกให้มีขนาดเท่าเชอร์รี่ความหนาแน่นของมันจะยิ่งใหญ่จนมันกลายเป็นหลุมดำ สมมติว่าเป็นจริงและเสร็จสิ้นหลุมดำของโลกจะยังคงโคจรรอบดวงอาทิตย์ทุกปีและดวงจันทร์ของโลกจะโคจรรอบโลกทุก ๆ 29.5 วัน (ตอนนี้การหมุนของหลุมดำโลกใหม่เกี่ยวกับแกนของมันอาจจะแตกต่างกัน แต่เวลาที่ใช้ในการโคจรรอบดวงอาทิตย์จะไม่เปลี่ยนแปลง)

น่าแปลกที่เมื่อโลกถูกบีบอัดเข้าไปในหลุมดำขนาดเชอร์รี่เศษที่ว่างในอวกาศก็จะตกลงไปกว่าเดิม (เมื่อโลกมีขนาดเท่ากับ ... เอาละโลก) เนื่องจากหลุมดำที่เกิดขึ้นใหม่จะใช้พื้นที่ (ปริมาตร) น้อยกว่าและดาวเคราะห์น้อยและดาวหางน่าจะพลาดปริมาณเชอร์รี่ขนาดใหญ่กว่าหรือขนาดใหญ่กว่าเชอร์รี่เล็กน้อย หากไม่พลาดจะทำให้เศษขยะถูกดูดเข้าไปในหลุมดำ

หากเศษเล็กเศษน้อยพลาดหลุมดำโลกแม้แต่กิโลเมตร (ซึ่งอาจดูเหมือนเป็นระยะทางไกลสำหรับเรา แต่เป็นระยะทางที่สั้นมากในแง่ดาราศาสตร์) มันจะถูกเหวี่ยงออกไปในทิศทางที่ต่างออกไป

โดยทั่วไปแล้วความเข้าใจผิดที่คนทั่วไปมีเกี่ยวกับหลุมดำก็คือไม่มีสิ่งใดที่มีแรงโน้มถ่วงมากกว่าหลุมดำและดวงดาวที่ก่อตัวเป็นหลุมดำในทันทีนั้นมีแรงโน้มถ่วงเพิ่มขึ้น นี้เป็นเพียงไม่เป็นความจริง. หลุมดำยังคงมีมวลเท่าเดิม (บางครั้งน้อยกว่านั้นขึ้นอยู่กับว่าพวกมันก่อตัวอย่างไร) และ "พลังการดูด" ที่พวกเขายังคงมีอยู่นั้นขึ้นอยู่กับจำนวนมวลที่พวกมันประกอบขึ้น

แม้ว่ามันจะเป็นความจริงที่ว่าดาวมวลสูงที่สุดในเอกภพเป็นหลุมดำแน่นอน (ถ้าคุณเรียกพวกมันว่าดาวณ จุดนั้น) มีดาวหลายดวงที่มีมวลมากกว่า (และมี "พลังดูด" มากกว่า) หลุมดำจำนวนมาก

ดังนั้นความจริงที่ว่าศูนย์กลางกาแลคซีของเราอาจมีหลุมดำขนาดใหญ่สุดไม่ได้หมายความว่าหลุมดำจะดูดซับสิ่งใดมากกว่าที่มันจะมีมวลเท่ากันซึ่งไม่ได้อยู่ในรูปของหลุมดำ

แรงโน้มถ่วงเป็นไปตามกฎของจตุรัสผกผัน ที่จะกล่าวง่ายๆว่าถ้าคุณเพิ่มระยะห่างจากแหล่งกำเนิดแรงโน้มถ่วงเป็นสองเท่า ดังนั้นถ้าคุณเพิ่มระยะทางเป็นสองเท่าคุณจะรู้สึก 1 / 4g สิ่งสำคัญคือให้สังเกตว่าเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นมันจะไม่มีวันเป็น 0 มันจะเป็นค่าที่ไม่เป็นศูนย์เสมอไม่ว่าระยะทางจะเป็นเท่าไหร่

ดังนั้นในระยะทางของกาแลคซีแรงโน้มถ่วงของโลกหลุมดำกลางจึงมีผลกระทบน้อยมาก

สิ่งนี้อธิบายเพียงบางส่วนของมัน อีกส่วนหนึ่งคือการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม

แรงโน้มถ่วงและโมเมนตัมเชิงมุมเป็นสิ่งที่รับผิดชอบวงโคจร ในกลศาสตร์การโคจรคุณเพิ่มวงโคจรของคุณด้วยการเพิ่มความเร็วไม่ใช่ระดับความสูง โมเมนตัมเชิงมุมของคุณที่เพิ่มขึ้นซึ่งทำให้วงโคจรของคุณเพิ่มขึ้น เพื่อลดวงโคจรของคุณคุณจะลดความเร็วซึ่งจะช่วยลดโมเมนตัมเชิงมุมและความสูงของคุณ

ดังนั้นสำหรับสิ่งที่ "ตกลง" ลงในหลุมดำพวกเขาจะต้องเดินทางด้วยความเร็วที่วงโคจรของพวกเขาตัดผ่านเส้นขอบฟ้าเหตุการณ์ นี่เป็นกรณีที่เกิดขึ้นไม่บ่อยนักหรือ "สิ่ง" เหล่านั้นจะไม่เริ่มต้นด้วยการโคจร ดังนั้นข้อเท็จจริงที่ว่า "สิ่งของ" ทั้งหมดที่ประกอบขึ้นเป็นกาแลคซีโคจรรอบหลุมดำกลางหมายความว่ามันไม่สามารถตกลงมาได้

3 สิ่งเหล่านี้อยู่ในสมดุลเสมอในวงโคจรที่มั่นคงแรงโน้มถ่วงความเร็วและความสูง (หรือระยะทางจากแหล่งกำเนิดแรงโน้มถ่วง) หากคุณเปลี่ยนหนึ่งในนั้นอีก 2 จะต้องเปลี่ยนด้วย หากคุณลดความเร็วความสูงของคุณจะลดลงและแรงโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้น หากคุณเพิ่มแรงโน้มถ่วงความเร็วจะต้องเพิ่มขึ้นเช่นกันหากระดับความสูงลดลง

ดังนั้นคุณจะเห็นสิ่งต่าง ๆ ไม่เพียง แต่ตกอยู่ในหลุมดำ นั่นคือมุมมองของฉันว่าในที่สุดทุกสิ่งในกาแลคซีจะตกลงไปในหลุมดำกลาง แต่สิ่งนี้จะใช้เวลาหลายพันล้านปี

แน่นอนว่านี่เป็นสิ่งที่ทำให้ง่ายขึ้นและฉันก็ไม่ได้เป็นผู้เชี่ยวชาญในเรื่องนี้ แต่มันเป็นสิ่งที่ฉันนึกภาพได้ในใจความสมดุลระหว่างโมเมนตัมและแรงโน้มถ่วง

โวลต์

คุณต้องคำนึงถึงปัจจัยในสสารมืดซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วงกับ "สสารสำคัญ" ทั้งหมดที่สามารถมองเห็นได้ในกาแลคซีดิสก์ สสารมืดถูกค้นพบโดยการทำแผนที่วงโคจรของวัตถุในกาแลคซีอย่างรอบคอบและพบว่าสสารที่สามารถมองเห็นได้ไม่สามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของวงโคจรที่สังเกตได้ หนึ่งในความลึกลับของสสารมืดคือมันไม่ได้ถูกดึงเข้าไปในหลุมดำอย่างที่สสารร้อน สสารมืดมีผลในทางปฏิบัติในการปรับสมดุลแรงดึงโน้มถ่วงของหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซี

ฉันไม่ใช่นักเรียนฟิสิกส์ แต่ฉันคิดว่าผู้คนมักจะเข้าใจผิดว่า "พลังดูด" ของหลุมดำด้วยเหตุผล

ให้เราพิจารณาสมการของนิวตันสำหรับแรงโน้มถ่วง:

$F = {Gm_im_j\over r_{ij}^2}$ สำหรับสองร่าง i และ j และคือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมวลของสองร่าง$r_{ij}$

ทีนี้ถ้าวันนี้ดวงอาทิตย์ตัดสินใจที่จะกลายเป็นหลุมดำโดยไม่สูญเสียน้ำหนักมันจะไม่ส่งผลกระทบต่อวงโคจรของโลกเพราะแม้ว่าปริมาณของดวงอาทิตย์จะเปลี่ยนไปก็ตามยังคงไม่เปลี่ยนแปลง$r_{ij}$

เหตุผลที่หลุมดำ "ดูด" เป็นเพราะพวกมันมีปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับดาวเคราะห์และดวงดาวคุณสามารถทำให้มีขนาดเล็กมาก$r_{ij}$

ช่วยแก้ให้ด้วยนะถ้าฉันผิด.

สำหรับกาแลคซีที่มีหลุมดำขนาดใหญ่สสารรอบ ๆ นั้นอยู่ในวงโคจรรอบหลุมดำเช่นเดียวกับที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลก

คำถามคือการเปรียบเทียบโดยตรงกับ " ทำไมดวงจันทร์ถึงไม่ตกลงกับพื้น " หรือ " ทำไมดาวเคราะห์ไม่ตกสู่ดวงอาทิตย์ " หลุมดำนั้นใหญ่กว่าดวงอาทิตย์มาก แต่เอฟเฟกต์นั้นเป็นชนิดเดียวกัน

คำตอบสั้น ๆ สำหรับคำถามของคุณคือขอบฟ้าเหตุการณ์หรือรัศมี Schwarzschild อะไรก็ตามที่อยู่ใกล้กับรัศมี / ขอบฟ้านี้ในที่สุดจะถูกดูดขึ้นมาโดยหลุมดำ

นี่เป็นความเข้าใจผิดทั่วไปเกี่ยวกับหลุมดำ: พวกเขา 'ดูด' ทุกสิ่งรอบตัวหรือดึงสิ่งต่างๆเข้ามา ในความเป็นจริงคุณสามารถแทนที่ดวงอาทิตย์ได้ด้วยหลุมดำที่มีมวลเท่ากันและไม่สังเกตเห็นความแตกต่างทันที มันไม่เหมือนว่ามันจะเริ่มการก่อตัวของดาวเคราะห์ที่อยู่รอบ ๆ นั่นก็ไม่ใช่วิธีการทำงาน

อดทนรอในที่สุดมันจะเว้นเสียแต่ว่าอัตราการขยายตัวของกาแลคซีจะสูงกว่าการเติบโตของความโน้มถ่วงของหลุมดำเนื่องจากมันกินสิ่งรอบตัว

ในสถานการณ์นั้นกาแล็คซี่จะกระจายออกไปในที่สุดโดยสสารของมันจะเดินทางออกจากหลุมดำต่อไปจนกว่าจะพบกาแลคซีอีกแห่งหนึ่ง ณ จุดนั้นโอกาสที่ดีในการดูดเข้าไปในหลุมดำของกาแลคซีก็คือ ไม่มีสิ่งใดอยู่รอดตลอดไป .. :-)

คำตอบง่ายๆก็คือทุกอย่างในกาแลคซีจะไปด้านข้างอย่างรวดเร็วพอที่จะถูกดูดเข้าไปแทน แต่พลังของการดูด (ถ้าคุณชอบ) ทำให้เส้นทางของดาวถูกดึงเข้าสู่วงกลมรอบ ๆ หลุมดำ

ปรากฏการณ์นี้คือ "วงโคจร" ดังที่คำตอบอื่น ๆ ชี้ให้เห็นมันเป็นเหตุผลเดียวกันกับที่โลกไม่ตกลงไปในดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ตกลงสู่พื้นโลกและสาเหตุที่สถานีอวกาศนานาชาติพุ่งพล่านไปด้วยความเร็วประมาณ 17,150 ไมล์ต่อชั่วโมง พวกมันกำลังเคลื่อนที่ไปด้านข้างกำลังของวัตถุขนาดใหญ่บางอย่างกำลังหมุนไปทางด้านข้างนั้นเป็นการเคลื่อนที่แบบวงกลมและถ้ามันไม่เร็วพอพวกเขาก็จะโค้ง ("ตกลง") ไปทางวัตถุขนาดใหญ่นั้นแล้วชนเข้ากับมัน

มันเหมือนกับว่าคุณวนถังที่ส่วนท้ายของสตริง ที่ฝากข้อมูลจะไปด้านข้าง แต่สายอักขระดึงเข้าหาตัวคุณ ที่ฝากข้อมูลไม่ได้บินหนีไปจากคุณเพราะแรงจากสายดังนั้นมันจึงโค้งเป็นวงกลม แรงจากเชือกเกิดขึ้นไม่เพียงพอที่จะยุบตัวถังด้านในและกดคุณ

ทั้งหมดเกี่ยวกับ ENTROPY ซึ่งเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ (ดูด้านล่างสำหรับการโต้แย้งควอนตัมแบบฮิวริสติกเนื่องจาก Moffat / Wang เป็นสาเหตุว่าทำไมถึงเป็นเช่นนั้น)

สมมติว่าสารละลาย Schwarzschild ให้รัศมี 2Gm สำหรับขอบฟ้าเหตุการณ์ด้วยมวลหลุมดำและค่าคงที่ของ G Newton การเพิ่มมวลเข้าไปในหลุมดำจะเพิ่มปริมาณของเอนโทรปี เนื่องจากระบบแยกตัวของพลังงานทั้งหมดอันมีขอบเขตมันมีเอนโทรปีสูงสุดที่ จำกัด ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวดึงดูดสำหรับพลวัตของระบบโดยวางขอบเขตบนขอบฟ้า

J von Neumann กำหนดรุ่นควอนตัมของเอนโทรปีดังนี้: ให้ f เป็นสถานะปกติของพีชคณิตท้องถิ่นของ observables O (D) ทำหน้าที่ในพื้นที่ Hilbert H. จากนั้นเราสามารถเขียน f นี้เป็นผลรวมนูนของรัฐบริสุทธิ์ สำหรับระบบพลังงาน จำกัด ผลรวมนี้มี จำกัด เนื่องจาก H เป็นมิติที่แน่นอนของ Von Neumann ที่ไม่เทียบเท่าค่าคอมมิชชันของพาร์ติชันคือตัวดำเนินการความหนาแน่นคือผลรวมถ่วงน้ำหนักของการฉายลงบนพื้นที่เวกเตอร์น้อยที่สุดที่สอดคล้องกับสภาวะบริสุทธิ์เหล่านี้ ความเท่าเทียมกันที่รู้จักกันดี;
สำหรับสถานะปกติ f, ฟอนนอยมันน์เอนโทรปีถูกกำหนดให้เป็นเอนโทรปีของน้ำหนัก เราตีความว่าเป็นการวัดปริมาณข้อมูลที่ระบบควอนตัมในสถานะที่กำหนดจะให้ผลลัพธ์ผ่านการวัด ยิ่งปริมาณของเอนโทรปีของระบบควอนตัมสามารถดึงข้อมูลได้น้อยลงเท่านั้น เสียงฟอนนอยมันน์เอนโทรปีของหลุมดำ กระบวนการตรวจวัดไม่สามารถทำได้โดยผู้สังเกตการณ์ภายนอกไปยังองค์ประกอบภายในการตกแต่งนอกเหนือจากขอบฟ้าเหตุการณ์ ดังนั้นเราจึงแบ่งขอบเขตเหตุการณ์ของหลุมดำด้วยองค์ประกอบแต่ละพื้นที่ k กำลังสองโดยที่ k คือความยาวของพลังค์และถือว่าพื้นที่พลังค์สอดคล้องกับการฉายภาพที่น้อยที่สุดของสถานะเวกเตอร์บริสุทธิ์ ให้ N เป็นจำนวน จำกัด ทั้งหมดของพาร์ติชัน จากสมมติฐาน 'ไม่มีขน' ไม่มีตำแหน่งที่ต้องการบนขอบฟ้าเหตุการณ์ดังนั้นองค์ประกอบแต่ละพาร์ติชันต้องมีน้ำหนักเท่ากัน เอนโทรปีของฟอนนอยมันน์ของพาร์ติชันนี้จึงเป็นสัดส่วนกับ S พื้นที่ผิวของหลุมดำ