Черные дыры. 3. Почему нет черных дыр и нейтронных звезд с массами от 2 до 5 солнечных масс?
Принято считать, что остатки сверхновых превращаются в нейтронные звезды либо в черные дыры в зависимости от своей массы. Остатки с массой меньше некоей критической становятся нейтронными звездами (НЗ), а с массой больше той же критической - черными дырами (ЧД). Но физика - наука экспериментальная, а эксперимент показывает, что между массами известных НЗ и ЧД, коих наблюдено уже не мало, существует не тончайшая граница, довольно широкая щель - не обнаружено НЗ с массой более 2,17 солнечной и пока не известны ЧД с массой меньше ~ 5 солнечных масс. О чем свидетельствует довольно свежая и весьма наглядная картинка:
Попытаемся разобраться с природой этой щели. И понять, что случается с остатками сверхновых, если их масса оказывается в интервале 2-5 солнечных масс.
Относительно НЗ и ЧД бесспорно следующее утверждение - вся масса М черной дыры находится внутри ее гравитационного радиуса (радиуса горизонта событий) Rg = 2GM/c2, а у НЗ часть их массы находится вне сферы соответствующего их массе гравитационного радиуса. Именно поэтому НЗ наблюдаемы, а одиночные ЧД не наблюдаемы (на картинке приведены массы ЧД, входящих в кратные системы объектов и потому определяемые).
Зададимся поэтому вопросом - при какой массе объекта реальный радиус его поверхности R будет равен его граврадиусу Rg? Радиус R определяется из известной со школы формулы М = 4πρR3/3, где ρ - средняя плотность вещества объекта . Из равенства R = Rg вытекает связь между массой объекта и его средней плотностью:
М2 = 3c6/32πρG3 или ρ = 3c6/32πМ2G3
Из этой связи видно, что средняя плотность ЧД падает с ростом ее массы довольно быстро. В частности, средняя плотность сверхмассивной ЧД массой в 6,5 млрд. солнечных масс, "тень" которой недавно отсняли в центре галактики М87, в несколько раз меньше плотности земного воздуха.
Но нас интересуют гораздо меньшие массы и, следовательно, максимально возможные плотности вещества. Наибольшая плотность, известная человеку на практике, есть плотность ядерной материи ~ 3*1014 г/см3. При подстановке этого значения в первую из приведенных выше формул получаем М ~ 8 Msun, где Msun - масса Солнца.
Следовательно, если средняя плотность вещества ЧД не выше плотности ядерной материи, то могут существовать ЧД только с массой М > 8 Msun. Но они наблюдаются вплоть до масс М ~ 5 Msun, при которой средняя плотность вещества почти в 2,5 раза больше плотности ядерной материи. Чисто по человечески это понять можно - не зря же японцы выращивают кубические арбузы, плотность упаковки которых при транспортировке вдвое выше чем у круглых.
Итак, факт ненаблюдаемости ЧД с массой М < 5 Msun в рамках обычной человеческой логики без фантазий о неких новых формах материи внутри ЧД понять можно.
Теперь перейдем к нейтронным звездам. Наибольшая масса известной НЗ равна 2,17 Msun. Из приаеденных выше фоормул следует, что если у такой НЗ радиус будет чуть-чуть больше граврадиуса (Rg ~ 6,5 км), то ее средняя плотность будет более чем в 15 раз выше плотности ядерной материи. Это означает, что нутро такой НЗ будет уже не нейтронным, а состоять из некоей другой формы материи. Но этого не случается, ибо типичные радиусы НЗ порядка 10-20 км. И простое применение приведенной выше формулы показывает, что плотность вещества в такой НЗ не превышает плотность ядерной материи уже при R ~ 15 км, что почти в 2,5 раза больше ее граврадиуса.
Таким образом, Всевышний не допускает существования черных дыр с массой М < 5 Msun и нейтронных звезд с массой М >~ 2,2 Msun просто потому, что ему не хочется вводить в эксплуатацию материю с плотностью существенно выще ядерной (границы по массе дальнейшими наблюдениями могут быть подправлены).
Но звезды ничего не знают о намерениях Всевышнего. И как им поступать, если массы их остатков после взрывов сверхновых попали в запрещенный Всевышним интервал? Подозреваю, что такие мумии сбрасывают излишек массы в некоем катаклизме и опускаются до статуса разрешенных Всевышним нейтронных звезд.
Попытаемся разобраться с природой этой щели. И понять, что случается с остатками сверхновых, если их масса оказывается в интервале 2-5 солнечных масс.
Относительно НЗ и ЧД бесспорно следующее утверждение - вся масса М черной дыры находится внутри ее гравитационного радиуса (радиуса горизонта событий) Rg = 2GM/c2, а у НЗ часть их массы находится вне сферы соответствующего их массе гравитационного радиуса. Именно поэтому НЗ наблюдаемы, а одиночные ЧД не наблюдаемы (на картинке приведены массы ЧД, входящих в кратные системы объектов и потому определяемые).
Зададимся поэтому вопросом - при какой массе объекта реальный радиус его поверхности R будет равен его граврадиусу Rg? Радиус R определяется из известной со школы формулы М = 4πρR3/3, где ρ - средняя плотность вещества объекта . Из равенства R = Rg вытекает связь между массой объекта и его средней плотностью:
М2 = 3c6/32πρG3 или ρ = 3c6/32πМ2G3
Из этой связи видно, что средняя плотность ЧД падает с ростом ее массы довольно быстро. В частности, средняя плотность сверхмассивной ЧД массой в 6,5 млрд. солнечных масс, "тень" которой недавно отсняли в центре галактики М87, в несколько раз меньше плотности земного воздуха.
Но нас интересуют гораздо меньшие массы и, следовательно, максимально возможные плотности вещества. Наибольшая плотность, известная человеку на практике, есть плотность ядерной материи ~ 3*1014 г/см3. При подстановке этого значения в первую из приведенных выше формул получаем М ~ 8 Msun, где Msun - масса Солнца.
Следовательно, если средняя плотность вещества ЧД не выше плотности ядерной материи, то могут существовать ЧД только с массой М > 8 Msun. Но они наблюдаются вплоть до масс М ~ 5 Msun, при которой средняя плотность вещества почти в 2,5 раза больше плотности ядерной материи. Чисто по человечески это понять можно - не зря же японцы выращивают кубические арбузы, плотность упаковки которых при транспортировке вдвое выше чем у круглых.
Итак, факт ненаблюдаемости ЧД с массой М < 5 Msun в рамках обычной человеческой логики без фантазий о неких новых формах материи внутри ЧД понять можно.
Теперь перейдем к нейтронным звездам. Наибольшая масса известной НЗ равна 2,17 Msun. Из приаеденных выше фоормул следует, что если у такой НЗ радиус будет чуть-чуть больше граврадиуса (Rg ~ 6,5 км), то ее средняя плотность будет более чем в 15 раз выше плотности ядерной материи. Это означает, что нутро такой НЗ будет уже не нейтронным, а состоять из некоей другой формы материи. Но этого не случается, ибо типичные радиусы НЗ порядка 10-20 км. И простое применение приведенной выше формулы показывает, что плотность вещества в такой НЗ не превышает плотность ядерной материи уже при R ~ 15 км, что почти в 2,5 раза больше ее граврадиуса.
Таким образом, Всевышний не допускает существования черных дыр с массой М < 5 Msun и нейтронных звезд с массой М >~ 2,2 Msun просто потому, что ему не хочется вводить в эксплуатацию материю с плотностью существенно выще ядерной (границы по массе дальнейшими наблюдениями могут быть подправлены).
Но звезды ничего не знают о намерениях Всевышнего. И как им поступать, если массы их остатков после взрывов сверхновых попали в запрещенный Всевышним интервал? Подозреваю, что такие мумии сбрасывают излишек массы в некоем катаклизме и опускаются до статуса разрешенных Всевышним нейтронных звезд.