Есть у меня привычка: люблю смотреть в интернете ролики про "сравнение самых-самых чего-то там". Недавно я взялся за ролик "Сравнительные размеры монстров" и с ужасом для себя обнаружил, что самый-самый большой-пребольшой монстр, когда-либо встречавшийся в кино и мультипликации – это...
...сверло.
Точнее не простое сверло, а Супер Тенген Топпа Гига Сверло, и длина его составляет 528 миллиардов световых лет.
Серьёзно. Я даже отрывок из аниме нашёл, где оно летает "со скоростью света".
Тут надо добавлять дисклеймер: "Не один зритель не умер от старости за просмотром этого аниме".
Оторвав (с трудом) руку от лица, я подумал: а какие на самом деле могут быть киношные монстры? Ув. Игорь Край в своё время написал статью о том, какого размера могут достигать гигантские животные. Но он подошёл к делу как биолог-эволюционист, учитывающий наличие необходимых конструкционных материалов, доступ к источникам питания, эволюционную целесообразность, наконец. Я же хочу абстрагироваться от этих ограничений. Допустим, я — правитель суперцивилизации. У меня есть доступ к неограниченным источникам энергии и запасам вещества с самыми удивительными свойствами, и я хочу создать ужасающего монстра — сотрясателя миров. Ничто не ограничивает меня, кроме недостатка фантазии и безжалостных законов физики. Каков будет предельный размер моего монстра?
Дисклеймер: в этой статье не будет вещества с отрицательной массой, тахионов и прочих чудиков, которые иногда появляются у физиков в уравнениях, но которых вживую никто никогда не видел.
Ограничение первое
Максимальной скоростью во Вселенной является скорость света. Не та, с которой Супер Топпа... Сверло в мультике носится, а настоящая, достаточно медленная относительно размеров наблюдаемой Вселенной. Никакой сигнал не может распространяться быстрее. Однако пространство расширяется, причём последние миллиарды лет расширяется ускоренно. Если скорость расширения пространства между двумя точками в момент испускания сигнала выше скорости света, сигнал никогда не дойдёт до адресата и точки окажутся причинно несвязанными. Самый дальний объект, который мы видим сейчас — это поверхность последнего рассеяния: горячая плазма, заполняющая Вселенную, когда излучение отделилось от вещества. Испущенное ею излучение, называемое реликтовым, прошло путь, ныне составляющий 46 миллиардов световых лет. Но сейчас области, откуда к нам прилетели фотоны реликтового излучения, удаляются гораздо быстрее скорости света. Максимальное на сегодняшний день расстояние, куда может уйти сигнал, отправленный с Земли, составляет 14,5 миллиардов световых лет.
Таким образом, любой монстр, линейный размер которого превышает 14,5 миллиардов световых лет, будет неизбежно разорван расширением пространства.
Звучит как идея для хоррора, правда?
Ограничение второе
Всё вы, думаю, слышали о чёрных дырах. Вы знаете, что это в высшей степени компактные объекты огромной массы. В научпопе часто встречается утверждение, что чёрная дыра массой с Землю будет по размеру равна ореху, а дыра солнечной массы составит в поперечнике лишь 3 километра. Но чтобы правильно понимать это утверждение нужно помнить, что "размер" чёрных дыр вовсе не тоже самое, что размер любых других объектов.
В качестве размера чёрной дыры обычно указывают параметры соответствующей ей сферы Шварцшильда. Это сфера, скорость убегания на которой равна скорости света. Что происходит внутри неё, мы не знаем. Однако для любой массы можно определить радиус Шварцшильда, причём зависит он от массы линейно. Это очень необычно — ведь радиус сферы заданной плотности пропорционален корню кубическому от её массы. А это значит, что по мере роста массы чёрной дыры её средняя плотность стремительно падает.
Когда, в таком случае, средняя плотность чёрной дыры сравняется с плотностью воды (напомню, именно такова средняя плотность большинства живых организмов)? Для ответа на этот вопрос нужно решить следующую систему уравнений:
Первое уравнение здесь — формула объёма шара, второе — радиус Шварцшильда, а третье — плотность воды. Расчёт показывает, что масса искомой чёрной дыры составит 27*10^34 тонн, а радиус — около 400 миллионов километров.
Это не очень много. Таков радиус орбиты Цереры — крупнейшего из астероидов, чьи орбиты лежат между Марсом и Юпитером. Многие сверхмассивные чёрные дыры, расположенные в центрах галактик, имеют куда большие габариты.
Если мы считаем, что наш супермонстр должен быть роботом и иметь плотность железа (на самом деле меньше — это же робот, а не чугунный утюг — но допустим), то его предельная масса будет меньше — 96*10^33 тонн, а радиус — 143 миллиона километров, как у орбиты Земли.
Что это значит? Это значит, что любое органическое существо размером больше, чем орбита Цереры, или же любой робот несколько меньшего размера неизбежно сколлапсируют в чёрную дыру.
Этот печальный вывод запрещает существование не только роботов, но и, например, сверхгигантских астроинженерных конструкций (увы, "Blame!", похоже у тебя проблемы). Единственный способ обойти, это ограничение — собрать ажурную или нитчатую конструкцию с крайне низкой средней плотностью. Она даже может оказаться по-лавкрафтовски жутким монстром, но в ядрёных космо-аниме чудовища всё-таки выглядят несколько иначе.
Однако гравитация не срабатывает по щелчку. Задолго до достижения радиуса Шварцшильда внутри нашего супермонстра начнут сказываться её зловредные эффекты. И тут появляется
Ограничение третье
Когда Международный астрономический союз в 2006 году взялся строго определить термин "планета", в число его критериев включили формулировку "достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации". Это не произвольное решение. Шар — это геометрическое место точек, равноудалённых в трёхмерном пространстве от общего центра. Любая неровность, возникшая на массивном шарообразном теле, будет испытывать мощное воздействие гравитации от остального тела, не скомпенсированное силой упругости расположенной рядом материи, — и неизбежно окажется разрушенной [2].
Поверхность планет является удивительно ровной: куда ближе к окленному бумагой глобусу, чем к красивым рельефным картам. Высочайшая гора на Земле — вулкан Мауна-Кеа на Гавайях [3] — имеет высоту чуть более 10 километров, что составляет лишь 0,15-0,20% от радиуса Земли. На менее массивных телах горы выше. Некрупный Марс может похвастаться щитовым вулканом Олимп высотой 26 километров. Но даже эта вершина подымается над окрестной равниной лишь на 0,75% от радиуса планеты.
Ограничение на форму является очень жёстким. Если мелкие астероиды могут быть весьма причудливых форм, то уже карликовые планеты, такие как Церера, Веста, Плутон, Эрида и т.д., имеют форму близкую к шару. Конечно, сообщив телу энергию, это ограничение можно преодолеть. Самый очевидный вариант здесь — вращение. Быстро вращающееся тело под действием центробежных сил вытягивается вдоль плоскости, перпендикулярной оси вращения. Этот эффект заметен даже у некоторых звёзд. Однако планета в форме дыни вряд ли может претендовать на роль космического монстра. Равно как и мега-робот, на конечностях которого установлены мощные двигатели, которые попросту не дают этим конечностям обрушиться под собственным весом. Кому способно угрожать столь слабосильное существо?
И всё-таки мы его построим!
Но не стоит отчаиваться! Сами вышеописанные ограничения подсказывают нам способ построить нашего монстра.
Дело в том, что гравитационный коллапс не происходит единомоментно. Вещество, падающее на чёрную дыру, должно как-то протиснуться сквозь сферу Шварцшильда, которая поначалу слишком мала. Часть вещества, получив от трения огромную энергию не падает на дыру, а выбрасывается наружу. Если мы найдём способ улавливать и утилизировать эту энергию, мы можем покрыть за счёт неё самые экстравагантные потребности.
Итак, наш самый большой монстр будет иметь следующие характеристики:
1) размер с планету, звезду или небольшую звёздную систему;
2) основная форма — шарообразная (в целях экономии энергии);
3) внутри несёт небольшую чёрную дыру, которую питает своим веществом и использует в качестве источника энергии;
4) за счёт этой энергии может отращивать вре́менные конечности и иные агрегаты для получения информации извне и различных манипуляций.
Так что, увидев в небе новую планету, бойтесь. Возможно, это злобные сверхцивилизация идут за вами!
Примечания:
[1] Источник: "5 вопросов о расширении Вселенной, которые вы стеснялись задать" https://habr.com/ru/articles/412441/
[2] Аналогично, если в теле имеется более плотное включение и упругости окружающей материи не хватает, чтобы предотвратить его движение к центру масс, это включение рано или поздно погрузится на глубину, где упругость окружающих пород окажется достаточной. Отсюда мы имеем все прелести тектонических процессов.
[3] Прославленный Эверест является самой высокой точкой над уровнем моря, но он стоит на Тибетском нагорье, которое само имеет несколько километров высоты.