[Академия] Волшебство Вселенной: источники энергии квазаров и Черные дыры

Этим постом я продолжаю тему квазаров и Черных дыр, а также беру участие в проекте Академии (@academy).
Я остановилась на том, что квазары - это массивные небесные тела, которые обладают колоссальным количеством энергии, выглядят, как Галактики, но, при этом, находятся на большом расстоянии от Земли.

Что может служить источником такого количества энергии?
Пока есть 2 предположения:

то, откуда берется сейчас энергия в нашем Солнце - ядерный синтез
та энергия, которая образовала Солнце - гравитационная потенциальная

Энергия ядерного синтеза

Ядерная реакция происходит у каждой звезды. Самая мощная из них - это образование Ферума из Гидрогена (дает больше всего энергии из-за самой большой разницы в массе).

Ферум самый стойкий атом, Гидроген - самый слабый.

Для образования Ферума необходимо 56 атомов Гидрогена. После данной реакции вырабатывается 10¹⁵ Джоулей энергии на килограмм. Это огромное количество, поэтому многие государства тратят много времени, чтобы построить Hydrogen bombs (они намного мощнее атомных бомб).

Но хватит ли этой энергии для обеспечения яркости квазаров?

Мы знаем, что их яркость равна 3,4 х 10⁴⁰ Ватт. Для ее обеспечения потребуется 3,4 х 10²⁵ степени килограмм в секунду чистого водорода, что соизмеримо с массой Земли. Это невозможно, хотя бы потому что во Вселенной нет такого количества нейтронов.

Даже, если предположить, что такой сценарий возможен, то к чему это приведет дальше?

Ядерный синтез может происходит или в ядре, или по краям квазара. Представим, что он будет в ядре.
Итак, в день железа будет произведено с массой в Солнце, за 2 дня - уже 2 Солнца и т.д. После 100 дней такой реакции, вы получите 100 "солнц" железа, которые будут находится в самом ядре. Срок жизни квазаров - миллионы лет. В конечном итоге, данная "железная сердцевина" просто рухнет, образуя черную дыру посередине. Однако, что интересно, это не останавливает ядерные реакции вокруг черной дыры, но образованный газ падает внутрь.

Если представить, что ядерный синтез будет происходить не в ядре, а, скажем, по краям, то тогда весь произведенный Ферум будет рассеиваться во Вселенной, а не накапливаться в центре квазара. В результате, мы получим огромные сгустки железа вокруг квазара, свету потребуются сначала месяца, потом года, а потом и столетия, чтобы просочиться сквозь них. Это означает, что на спектре мы не увидим никаких изменений столетиями, что неправда, потому что мы их видим намного чаще (изменения можно увидеть в течении тысячи дней).

Если эти два сценария не работают, то, видимо, источником энергии является не ядерный синтез, а гравитационная энергия.

Гравитационная потенциальная энергия

Гравитационная потенциальная энергия обуславливается потенциальной энергией двух тел, которые притягиваются к друг друг. Во время притяжения она преобразуется в кинетическую энергию (энергию скорости: чем выше скорость, тем больше кинетическая энергия) - так работают гидростанции, где энергия образуется путем падения воды. Однако, если потенциальная гравитационная энергия огромна, как, например, Черной дыры, то это может привести к разрушительным последствиям.

Чтобы лучше понять и оценить масштабы такой энергии, в курсе представлен пример с арахисом. За профессором недалеко находился дом (можем метров 400), если представить, что это Черная дыра, а на пути к притягивающемуся к ней арахису поставить руку, то будет взрыв эквивалентен взрыву 10-килотонной атомной бомбы (скорость арахиса будет почти, как скорость света, поэтому взрыв от образованной кинетической энергии будет в состоянии уничтожить огромный город).

Давайте теперь посчитаем, сколько энергии может получится от падения вещей в Черную дыру.

Предположим, у нас есть некая частица, которое движется почти со скоростью света, и вот, немного выше радиуса Шварцшильда (точки невозврата - месте, где энергия уже не сможет выйти "наружу", а скорость частиц становится выше скорости света), она сталкивается с какой-то другой частицей. Проведя расчеты, мы получаем, что выпущенная энергия будет равна половине массы тела (для сравнения, при ядерном синтезе - это около 1%). Гравитационная энергия намного мощнее ядерного синтеза, но такие цифры возможны только, если эта энергия будет выпущена в радиусе Шварцшильда. Как это получается - большой вопрос.

Но и это еще не все.

Квазар состоит из огромной массивной Черной дыры посередине, окруженной летающими небесными телами по орбите вокруг нее. В результате аккреции (наращивание массы небесного тела с помощью гравитации) летающая вокруг материя поглощается постепенно в Черную дыру, что вызывает такой яркий свет и выброс энергии.

Самый далекий квазар, который удалось обнаружить несколько лет назад, имеет красное смещение 7.1, что говорит нам о том, что свет от этого квазара шел к нам 13,1 млрд лет. То есть, 13,1 млрд лет назад квазар был уже настолько массивным и ярким, что был способен излучать такой свет.

В результате, рождает вопрос, на который пока ученые затрудняются ответить: как квазар мог нарастить такую массу 13,1 млрд лет назад, когда еще не было даже сформированных Галактик, звезд и планет?

Каждый раз, смотря неделю курса, думаешь, что все - разобрался, теперь все понятно. Но нет. В конце преподаватели сами ставят под сомнения все выдвигающиеся гипотезы, озвучивая вопросы, которые все еще остаются без ответа или противоречат друг другу. В этом, наверное, и состоит наука - быть готовым к неожиданным открытиям и ставить под сомнения свои же теории.

Что больше всего запомнилось?

Вероятно, что источником квазаров является гравитационная потенциальная энергия, однако, непонятно, как после 800 млн лет после образования Вселенной, они уже могли нарастить такую массу. Также остается без ответа вопрос о том, как точно и в каком месте происходит выплеск энергии.

Все картинки взяты с сайта Pixabay согласно лицензии Creative Commons CC0