Черная дыра вместо лица: Что станет с Землей, если на месте Солнца образуется черная дыра — Naked Science

Что будет, если в Солнечной системе появится черная дыра?

Мысленные эксперименты — отличная штука. Мы можем представить, что будет, если исчезнет Луна, и подозреваем, что наши предки видели сверхмассивную черную дыру Млечного Пути. Догадываемся, что Луна не всегда была мертвой и холодной, а на Марсе когда-то текли реки и моря. Но мы находимся на окраине галактики, и черные дыры для нас почти что не существуют. Что, если бы одна из них образовалась в Солнечной системе? Возможно ли это в принципе?

В ночном небе начали происходить странные вещи. Вы, как и многие другие, активно следите за новостями. Выступает президент, его поддерживают астрофизики, геологи и климатологи. Он нервничает, но, отдавая дань традиции, делит новости на «плохие» и «хорошие». Хорошие новости: мы не умерли, планета не уничтожена, ее не унесло в космос и не раскрутило в гравитационном колесе. Плохие: нас ждут «весьма интересные перемены климата». Попытка выжить рядом с черной дырой похожа на бегство с «Титаника» — ради холодной смерти в океане.

Прежде, чем вы потянетесь за тревожным чемоданчиком или начнете сходить с ума: не бойтесь, это всего лишь мысленный эксперимент. Черные дыры представляют собой одно из самых страшных явлений во Вселенной. Их огромная тяжесть искривляет пространство и время — и наше понимание их природы — до предела, до одной точки. Сверхмассивные черные дыры (вроде этой) скрываются в ядрах галактик, поглощая миллионы, миллиарды звезд. Самое точное изображение черной дыры на сегодняшний день мы наблюдали в фильме «Интерстеллар». На деле же это явление во много раз страшнее.

Что будет, если недалеко от нашей Солнечной системы родится или обнаружится черная дыра?

Содержание

  • 1 Привет из бездны
  • 2 Искривляющие пространство и время
  • 3 Время пришло
  • 4 Хорошие и плохие новости
  • 5 По ту сторону горизонта событий

Привет из бездны

Самое точное на данный момент изображение черной дыры

Разбираться придется по порядку. Насколько близко? Откуда? Какова масса?

Стоит сразу отметить, что наше Солнце никогда не станет черной дырой. Для этого нужна масса, порядком превосходящая солнечную — в 10-15 раз. Тогда случится гравитационный коллапс, и под действием силы тяжести материя буквально схлопнется в одну точку. Похожее явление лежит в основе водородных бомб и в теории холодного термоядерного синтеза, разве только гравитация играет другую роль. Более того, на роль потенциальных черных дыр не годятся и другие звезды в соседних галактиках. Большинство из них являются красными карликами и обладают массой в 8-60% нашего Солнца.

Остается два варианта: либо черная дыра спонтанно появляется в наших окрестностях, либо приходит непонятно откуда. Первое было бы возможно, если бы все страхи вокруг Большого адронного коллайдера приобрели смысл и черную дыру создали искусственным путем. Но нет, это невозможно.

Что касается второго, астрономы и астрофизики подтвердили существование около 2000 блуждающих черных дыр, но шансы того, что одна из них дойдет до нас, близятся к нулю. И как отметил писатель Дуглас Адамс:

«Космос велик. Вы просто не в состоянии осознать, насколько невероятно и умопомрачительно он велик. Я имею в виду, вам может показаться длинной дорога в аптеку, но по меркам космоса это семечки».

Впрочем, вероятность появления черной дыры — слишком интересное событие, чтобы проходить мимо.

Искривляющие пространство и время

Если посмотреть на черную дыру издалека, она будет похожа на любой другой массивный объект. Пока она прямо перед вами, она подчиняется законам классической механики и ньютоновому закону универсальной гравитации, который гласит, что притяжение между двумя объектами пропорционально их массе и уменьшается с увеличением дистанции. Другими словами, нет гравитационной разницы между R136a1, «голубым» карликом весом в 265 солнц и черной дырой с таким же весом.

Подойдите к черной дыре поближе, чтобы попасть в ее гравитационное поле, и вы столкнетесь с двумя разными наборами правил. С общей теорией относительности Эйнштейна, которая допускает существование черных дыр, искривляющих пространство и время, и экстремальной гравитацией, которая доводит это искривление до крайности.

Если вы хотите изучить черную дыру, не вылезая из космического корабля, вы обнаружите, что чем ближе вы к средоточию огромной массы, тем больше ваши двигатели будут надрываться, чтобы удержать вас на круговой орбите. Сначала небольшие импульсы ракеты смогут стабилизировать ее; но чем дальше, тем больше энергии вам придется тратить, дабы не сойти с орбиты. В итоге только безостановочная работа двигателей ракеты будет отделять вас от всепоглощающего ничто. Впрочем, в фильме «Интерстеллар» — и в этом заслуга Кристофера Нолана и Кипа Торна — эти эффекты были показаны на удивление прилично.

Как только у вас закончится топливо (или вы внезапно решите выключить двигатели), вы пересечете горизонт событий черной дыры, границу, из-за которой не может вернуться даже свет. После этого вам придется ответить за все свои грехи. Ничто не остановит неумолимое движение к сингулярности — ядру бесконечно сжатого пространства и времени, где физика, какой мы ее знаем, сворачивается в клубок и скулит.

По мере вашего продвижения время будет замедляться. Очень сильно. С вашей точки зрения ничего не изменится, но ваши друзья, наблюдающие за вашим трюком, увидят что-то вроде смазанных молний. Но только до горизонта событий — за его пределы не выходит свет, а значит, увидеть вас никто не сможет. Идеальное преступление, не так ли?

Гравитационное искривление времени — явление достаточно обыденное, но слишком слабое, чтобы его можно было заметить. На Земле, к примеру, прожив миллиард лет на уровне моря, вы будете на секунду моложе, чем ваш ровесник, проживший на вершине Эвереста. Говорят, время боится пирамид, но вам придется провести слишком много времени, прислонившись к ней щекой, чтобы ощутить замедление времени в Париже.

В черной дыре время крутится волчком. Когда мы говорим, что падения в сингулярность нельзя избежать, это означает не только неумолимое действие гравитации или искажение пространство. Время в черной дыре сжимается до такой степени, что путь в сингулярность буквально становится вашим будущим. Бегство от сингулярности будет похоже на попытку остановить время.

Что случится с нашей Солнечной системой, если она вдруг испытает на себе гнев черной дыры и попадет в ее водоворот?

Время пришло

Допустим, у нас есть черная дыра, которая заперта в двойной системе в обнимку со звездой, которая готовится стать сверхновой. Внезапно это происходит, гравитационный гигант выстреливает в нашем направлении на скорости десятков и сотен километров в секунду. Как мы об этом узнаем?

Ответ прост: не узнаем до тех пор, пока он не столкнется с чем-либо, поскольку массивная гравитация черных дыр не выпускает даже свет. А значит, вместо того чтобы пытаться найти черный перец на черном ковре, давайте рассмотрим несколько путей, которые помогут нам напрямую определить черную дыру.

Во-первых, материя, разорванная черной дырой, будет излучать радиацию по мере вращения диска аккреции. Пространство вокруг будет светиться, как новогодняя елка во мраке ночи.

Во-вторых, искажение пространства вокруг черных дыр можно обнаружить земными методами. Например, с помощью гравитационного линзирования, предсказанного в рамках общей теории относительности Эйнштейна. Эффект проявляется вблизи массивных объектов и фиксируется астрономами. Этот же способ используют для поиска темной материи.

Но даже в идеальных условиях обнаружить черную дыру таким образом будет сложнее, чем найти блох на пятнистой собаке ночью с помощью бинокля. С повязкой на глазу. Для успешного гравитационного линзирования черная дыра должна пройти между нами и звездой. И после этого нам еще должно повезти.

Кроме того, черная дыра может дать о себе знать, если будет взаимодействовать гравитационно с небесными объектами вроде планет, звезд, астероидов и комет, что снова подводит нас к ключевому вопросу: как близко будет располагаться наша гипотетическая черная дыра, угнездившаяся по соседству?

Конечно, чем ближе, тем опаснее. По мере приближения орбиты планет и лун будут танцевать танец, как воробей, попавшийся в паутину, волоча за собой кривые орбиты и нарушая порядок, который пытаются собрать по частям еще со времен Николая Коперника.

Здесь, на Земле, изменились бы приливы, отливы и цвет неба. Если гравитация, как по заказу Жириновского, отдалит орбиту планеты дальше от Солнца, приблизит ее, сделает более эллиптической, в лучшем случае мы будем страдать от перепадов температур и странностей с временами года. В худшем случае (кроме того, чтобы стать частью черной дыры) Земля может упасть на Солнце или отправиться в дальнее плавание в пучины космоса, обрекая нас всех на холодную смерть.

Известный астрофизик Нил де Грасс Тайсон однажды емко выразил проблемы, которые возникнут, если неподалеку заведется «черная гостья»:

«Если нас посетит черная дыра, у Солнечной системы будет плохой день».

Что ж, раз уж мы обречены, давайте соберемся с духом и нырнем навстречу сингулярности.

Хорошие и плохие новости

В русском языке есть слово из шести букв, которое лучше всего описало бы то, что нас ждет. Давайте назовем это просто безнадегой. Ученые научились делить на ноль, и мы оказались в черной дыре. Даже Брюс Уиллис с отважным экипажем нефтяников, прошедший особую подготовку в Челябинске, не спас бы нас.

Появись черная дыра в окрестностях Нептуна, мы бы сразу почувствовали это. Ученые знают орбиту Нептуна так хорошо, что могут обнаружить даже отклонение в 1 угловую секунду (единица угловой меры). Обычная черная дыра с массой в десять солнц, летящая на скорости 300 км/c, выдала бы себя еще на расстоянии в одну десятую светового года.

И вот вам последняя порция хороших новостей: черная дыра такого размера даст нам минимум 100 лет, чтобы закончить свои земные дела. Возможно, опасность такого масштаба прекратит все земные войны или начнет одну глобальную. Возможно, человечество успеет уничтожить себя самостоятельно, как только узнает, что через сто лет — всё, капут. Пока это неважно. Если же дыра будет двигаться медленнее, фатальное время ожидания увеличится в десять раз. И вот тогда времени на строительство ковчега или сборы планетарного чемодана с вещами должно хватить.

По мере подхода к Нептуну, черная смерть стягивает газовый гигант с орбиты. Планета начинает вести себя странно: по мере удаления от нас происходит красное смещение — длина волны ее радиации, включая свет, уходит в красный спектр. Как только Нептун оказывается за черной дырой, гравитационная линза натягивается на черную сферу и обтекает ее. Когда планета появляется снова, уже перед нами, ее цвета переживают синее смещение — длина волны уходит в этот конец спектра.

Красное и синее смещение, как правило, является следствием удаления или приближения звездного объекта по отношению к нам. Похоже на эффект Допплера.

Вместе с тем, как черная дыра «кушает» планету, газ будет закручиваться в гравитационную спираль, как сахар во время создания сладкой ваты. С нашей точки зрения спираль будет вечно уходить в горизонт событий. Но свет, испущенный гибелью Нептуна, отразится от черной дыры в негативе, как солнечная корона во время затмения.

Чем ближе черная дыра будет к Земле, тем больше будет проявляться окружающий ее эффект искажения, как в кривом зеркале. Все телескопы будут видеть только пустоту в центре черной дыры.

Если наша черная смерть будет сверхмассивной черной дырой, история уже закончится — ее горизонт событий будет в пять раз больше, чем Солнечная система. Но это скучно. Давайте возьмем пример поменьше и все же постараемся разглядеть нутро этого монстра.

По ту сторону горизонта событий

Мы движемся по кроличьей норе, зная, что ваше знакомство с ней будет очень коротким. Надеемся, что мы успеем хотя бы оценить внутренний интерьер черной дыры. К счастью для нас, но к несчастью для Солнечной системы, эта черная дыра — сверхмассивная. Мы изменили правила, но если бы мы этого не сделали, все бы уже закончилось по некоторым причинам.

В небольшой черной дыре — скажем, с массой в 30 солнц — приливные силы, вызванные увеличением тяжести, разорвали бы нас задолго до того, как мы достигли горизонта событий. Но там гравитация составляет где-то миллион земных. На то, чтобы насладиться победой — ведь мы достигли горизонта событий — у нас не будет и 0,0001 секунды.

В сверхмассивной черной дыре с массой в 5 миллионов солнц, вроде той, что расположена в центре нашей галактики, нас ждет совсем другой опыт. Любая черная дыра, вобравшая массу более 30 тысяч солнц, обладает приливными силами с гравитацией меньше одной земной на горизонте событий. У нас будет 16 секунд, чтобы осмотреться (и изменить правила игры), прежде чем мы достигнем точки сингулярности. Чем больше масса, тем больше времени.

Падение сквозь горизонт событий похоже на процесс засыпания или влюбленности: сложно определить точку отсчета, когда это произойдет, но после этого ваше чувство реальности будет совершенно иным. В черной дыре вы будете видеть звезды (свет попадает внутрь, но не наоборот), но пространство вокруг будет напоминать мыльный пузырь.

Ну а после того, как вас раздавит в ноль, вы попадете в точку бесконечной кривизны, где известному нам времени и пространству приходит конец. И узнать, как работает физика в этой точке бесконечной кривизны времени и пространства, бесконечной массы и плотности, у нас просто нет возможности. Иногда кажется, что сердце черной дыры откроет перед нами все секреты Вселенной или поднимет бесконечное число вопросов. Но это всего лишь догадки.

Чрезмерную активность черных дыр объяснили их слиянием

Наука
Космические дневники

Сложность
5.2

Иногда черная дыра вместо спокойного поглощения материи из аккреционного диска начинает выбрасывать мощные струи плазмы, разогнанные до околосветовых скоростей, и простирающиеся вверх и вниз от плоскости диска на десятки и сотни тысяч световых лет

Изображение: ESA / Hubble, L. Calçada (ESO)

Группа астрономов во главе с Марко Киаберге (Marco Chiaberge) из Института космического телескопа NASA нашла статистически надежную наблюдательную связь между слиянием галактик и активностью сверхмассивных черных дыр (СМЧД) в их центрах. Соответствующая работа вскоре будет опубликована в Astrophysical Journal, краткий пересказ ее содержания представлен на сайте Института.

Исследователи наблюдали три группы галактик: с релятивистскими струями (джетами), вылетающими из окрестностей дыры в галактическом ядре, с ядрами, активно светящимися в радиодиапазоне (что также предположительно вызывается активностью СМЧД), и обычные. Активные ядра галактик (АЯГ) изучали в оптическом диапазоне с помощью «Хаббла». Оказалось, что большинство таких галактик находится в процессе слияния со своими «коллегами». В свою очередь среди обычных галактик доля сливающихся галактик оказалась около 40 процентов. Но при этом никаких джетов или высокой яркости в радиодиапазоне у обычных галактик не наблюдалось.

Авторы работы так объясняют результаты: процесс слияния галактик — это довольно распространенное явление, не зависящее от наличия в центре скопления черной дыры. При этом для активных галактик наличие или отсутствие джета определяется процессом слияния этих самых дыр. Если СМЧД сливаются, то, как показывает компьютерное моделирование, это приводит к увеличению скорости вращения дыры. Часть энергии таким образом передается газу вокруг, и возникает джет.

Здесь группа Киаберге несколько расходится со взглядами других астрономов. Ранее считалось, что причинами возникновения струй является увеличение массы вещества, притянутого к себе черной дырой. При столкновении галактик плотность газа в результирующей галактике растет, что резко ускоряет приток газа к СМЧД. Согласно механизму Пенроуза, когда какое-то количество материи приближается черной дыре, часть ее падает внутрь, при этом другая выбрасывается в окружающее пространство. Причем энергия выброшенных частиц может быть выше исходной на величину до 20,7% – и заимствуется эта энергия у вращающейся черной дыры, скорость вращения которой в итоге постепенно снижается.

Однако если бы релятивистские джеты и радиоизлучение активных ядер галактик вызывались лишь усиленной подпиткой СМЧД газом, то и струи и свечение наблюдались бы в каждом случае слияния галактик – поскольку оно практически никак не может произойти без резкого притока газа к ядру.

Если же 40% обычных галактик, без струй и свечения, состоят из сливающихся, значит, один лишь газ не может быть в ответе за такие процессы. По мнению авторов работы, истинной причиной усиленного выброса части попадающей в СМЧД материи является слияние СМЧД в центре первой сливающейся галактики с СМЧД второй сливающейся галактики. Такое событие не всегда сопровождает слияние – иногда одна из черных дыр в результате гравитационного взаимодействия может быть выброшена из результирующей галактики. Но если оно все же случится, то скорость вращения итоговой объединенной черной дыры будет намного больше, чем у любой из предшественниц. Соответственно, она, по механизму Пенроуза, сможет передавать части падающей в нее материи намного больше энергии, чем если бы слияние не произошло и скорость вращения черной дыры осталась нормальной.

Следует отметить, что предположение авторов о том, что релятивистские струи возникают именно после слияния черных дыр до некоторой степени расходится с работой 2013 года, согласно которой релятивистские струи умеренной силы не ранее чем 2 миллиона лет назад выбрасывались из окрестностей Стрельца А*, СМЧД в центре нашей собственной Галактики. При этом на данный момент нет никаких указаний на то, что в тот период она испытывала слияние с другой СМЧД. Как, впрочем, нет и указаний на то, что сам Млечный Путь в этот период сливался с какой-либо другой галактикой.

Как отмечают ученые, для дальнейшего прояснения того, как именно слияние галактик провоцирует черные дыры на выброс струй, с околосветовой скоростью разлетающихся на сотни тысяч световых лет, требуются дополнительные наблюдения как в видимом, так и в радиодиапазоне.

как черная дыра уничтожит Землю — Нож

Именно астроном-любитель, который всегда начеку, чует первые признаки беды. Он надеялся сделать несколько снимков Урана через свой автоматизированный телескоп, но компьютер упорно разворачивал его в другом направлении. Перейдя в ручной режим, астроном в конце концов находит планету в нескольких угловых минутах от расчетного положения. Озадаченный, он звонит другу, и быстро выясняется, что у того такая же проблема. Поиск по нескольким форумам в интернете свидетельствует о том, что многие астрономы во всем мире сталкиваются с тем же самым.

День за днем ситуация только ухудшается. Теперь уже, похоже, и с Юпитером происходит что-то странное. Однако Сатурн, который сейчас находится с другой стороны от Солнца, вроде бы в порядке. Ползут слухи.

Затем ситуация становится очень странной. Обсерватория для наблюдения за Солнцем и проведения гелиосферических исследований, находящаяся на орбите, где силы тяготения Земли и Солнца равны, начинает смещаться. Инженеры озадачены, но вскоре им приходится решать другие проблемы. Теперь Марс не на месте.

На Красную планету летит зонд NASA: попадет ли он на нее? Но вскоре это уже под вопросом, так как космический аппарат также смещается. Через несколько дней становится ясно, что зонд потерян… и что зонд — это наименьшая из наших проблем.

Астрономы, наблюдающие за Солнцем, обнаруживают, что его положение также сместилось. Этого не может быть! Что может сдвинуть целую звезду?.. Но очень быстро они понимают, что проблема не с Солнцем, а с Землей. Как и другие планеты, Земля уже не вращается вокруг Солнца как обычно, а сходит со своей предначертанной орбиты.

Распространяется паника. Ученые приходят к очевидному выводу: к Земле приближается некий массивный объект, и его притяжение смещает нас с курса.

По данным о движении других планет они определяют положение этого объекта, но на том участке неба ничего нет.

Как ни странно, именно тот факт, что они ничего не видят, подтверждает их самые мрачные прогнозы: это черная дыра. После анализа ее траектории становится ясно, что она движется практически прямо на нас с невероятной скоростью км/с. По расчетам астрономов, ее чудовищная масса в десять раз больше массы Солнца — такой легко накликать конец света для нас на Земле. Сначала ее гравитационное воздействие еле ощущается, но быстро нарастает.

Всего через несколько недель после обнаружения первых признаков проблемы, когда черная дыра все еще находится в 480 млн км от нас, ее гравитационное воздействие на Землю сравнивается с гравитационным воздействием Солнца. Земля уже обращается не вокруг одной звезды: она захвачена двумя — одной живой, другой мертвой. Еще через несколько дней влияние черной дыры перевешивает влияние Солнца. Схватив Землю невидимыми пальцами, сколлапсировавшая звезда отрывает нас от Солнца и притягивает к себе.

По мере приближения гравитационные приливные силы черной дыры начинают растягивать Землю. Приливные силы от Луны вызывают приливы и отливы в океанах, но масса черной дыры в 200 млн раз превышает массу Луны.

Даже с расстояния в миллионы километров приливная сила черной дыры вызывает обширные наводнения, мощные землетрясения, гигантские цунами.

Вскоре нанесен решающий удар. Когда черная дыра подходит на расстояние всего 11 млн км, ее силы тяготения, ощущаемые объектами на поверхности Земли, сравниваются с силами тяготения самой Земли. Горстка выживших людей после событий последних дней внезапно начинают чувствовать невесомость, так как их тянет вверх и вниз с одинаковой силой.

Через несколько минут, когда черная дыра подходит еще ближе, сила, направленная кверху, начинает преобладать. Вздымающийся ураганный поток воздуха уносит невесомых людей вместе с камнями, автомобилями, океанами…

Через час все кончено. Колоссальные силы тяготения мертвой звезды разрывают Землю в клочки, превращая ее в пар.

Вещество, когда-то бывшее нашим родным миром, падает в ненасытную утробу дыры, все быстрее кружась вокруг нее, образуя диск из разогретой до миллиона градусов плазмы, прежде чем нырнуть с концами.

Все также плавно и спокойно черная дыра продолжает свой путь, прочь из Солнечной системы, оставляя за собой хаос, разбросанные планеты и смерть.

Черная правда

Что такое эти черные дыры? Не укладывающаяся в голове физика, абсолютная разрушительная мощь, каким сверхъестественным образом они искажают наши представления о реальности, пространстве и времени?

Может быть, они очаровывают нас просто потому, что они такие крутые.

Рождающиеся в адском сердце сверхновой, возвещающие о своем появлении двойными пучками ярости, не знающими преград, и поглощающие (почти) все, что попадается им на пути, черные дыры прочно сидят в общественном сознании. Им посвящают фильмы, телевизионные передачи, книги, бессчетные статьи и бесконечные дискуссии. И при всем этом восхищении и интересе большинство людей имеют лишь смутное представление о том, что такое черные дыры и какими они обладают способностями.

Но никогда не забывайте — они опасны.

Черная дыра может убить вас разными способами. Некоторые из них простые, а некоторые очень замысловатые.

Если вы не напрашиваетесь на неприятности, все эти способы крайне маловероятны, но если вам нужны массовые разрушения в крупных масштабах, тогда черная дыра — это подходящая идея.

Я упал и не могу подняться

Черная дыра — это объект, скорость убегания (вторая космическая скорость) для которого равна скорости света или превышает ее. Это означает, что все, что попадает в дыру, выбраться из нее не может, потому что, насколько нам известно, ничто не может двигаться со скоростью больше скорости света.

Следовательно, первая и самая очевидная опасность от черной дыры — это, буквально, падение в нее. Если такое происходит, ну что ж, ничего не поделаешь. Это поездка в один конец. С вами покончено. Больше не о чем говорить.

Это не очень-то впечатляющий способ, которым черная дыра может расправиться с вами — никаких лучей смерти, никаких массовых и ужасных разрушений. Просто плюх! И вас уже нет.

Такое отсутствие драматизма как-то скучновато для рассказа. Но это также противоречит здравому смыслу. Если вы находитесь на ракете, погружающейся в черную дыру, разве нельзя просто развернуть ракету, включить двигатели на самую полную мощность и улететь?

Нет, нельзя. Исключительно мощные силы тяготения вблизи черной дыры заставляют нас изменить свой взгляд на пространство, время и движение. <…> Если бы черные дыры были лишь еще одним массивным объектом, с вами все было бы в порядке. Но черные дыры не просто какой-то привычный объект!

Одним из больших достижений Альберта Эйнштейна в науке была идея, что пространство — это объект. Оно не пустое; оно подобно ткани, в которой находятся массивные объекты.

Объект, обладающий массой, обладает силами тяготения, и эти силы тяготения изгибают пространство (примером в прошлой главе был шар для боулинга, лежащий на матрасе и прогибающий его). Траектория любого объекта, проходящего мимо более массивного, будет искривлена таким прогибом пространства за счет силы тяготения.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Когда кто-то объясняет идею черных дыр, искривляющих пространство, он неизбежно использует сравнение с плоской поверхностью, изгибаемой тяжелым объектом, как матрас под шаром для боулинга. К сожалению, это ведет к ошибочному представлению, что черные дыры — это круги в искривленном в виде воронки пространстве. Но это не так: реальность трехмерна, а в этой аналогии используются только два измерения (поверхность матраса можно считать двухмерной, но шар для боулинга прогибает ее, придавая ей третье измерение). Черные дыры — сферические, а изогнутое пространство не похоже на воронку. На самом деле форму изогнутого пространства невероятно сложно описать, потому что мы живем в этих измерениях, и описывать их — это все равно что пытаться описать красный цвет тому, кто слеп от рождения. Мы можем описывать искривление математическими формулами, делать прогнозы о нем и, вероятно, даже использовать его для понимания других явлений физики, но мысленно представить его если не совершенно, то практически невозможно.

Так что все следующие описания водопадов, утесов и всего такого — это сравнения, двухмерные представления искривленной трехмерной реальности. Вам от этого, вероятно, легче не станет, но Вселенная умеет причинять нам неудобства. Если бы это было не так, эту книгу было бы не о чем писать.

А сейчас вернемся к регулярным плановым смертям и разрушениям от черных дыр.

Но черная дыра не просто создает прогиб пространства; она вырезает бездонную яму, бесконечно глубокую дыру с вертикальными стенками. Как только вы в нее попали, выбраться оттуда вы не сможете ни на какой скорости.

Вы проваливаетесь в нее, и ничто вас не может удержать. Скорость убегания на поверхности черной дыры — называемой горизонтом событий — это скорость света.

Более точным было бы рассуждать об этом, пользуясь математическими формулами Эйнштейна и физическими принципами относительности. Эндрю Гамильтон, астрофизик с кафедры астрофизики и планетологии Университета штата Колорадо в Боулдере, довольно долго изучал черные дыры и у него есть интересное сравнение:

Понять, что происходит, будет легче, если представить, что черная дыра подобна водопаду. Только в черную дыру падает не вода, а само пространство. Снаружи горизонта событий скорость падения пространства меньше, чем скорость света. На горизонте пространство падает со скоростью света. А внутри горизонта пространство падает быстрее, чем свет, унося с собой все, даже свет. Такое представление черной дыры как области пространства-времени, где пространство падает быстрее света, это не просто хорошая концептуальная картинка… у нее есть прочное математическое обоснование [подчеркиваю].

Может показаться, что это нарушает еще один закон Эйнштейна — ничего не может двигаться быстрее, чем свет, — но это применимо только к физическим объектам, обладающим массой (и к самому свету). Пространство же отличается от материи и света (еще одна из великих идей Эйнштейна), поэтому оно может вести себя как захочет, в частности двигаться быстрее света.

Если вы находитесь внутри горизонта событий, пространство стекает в черную дыру быстрее скорости света… и, если вы проваливаетесь, оно уносит вас с собой.

Если вы попытаетесь выгрести против водопада, у вас ничего не получится, потому что вы никогда не сможете заставить свою лодку двигаться вверх быстрее, чем текущая вниз вода. Так и внутри черной дыры: в пространстве, текущем с транссветовой скоростью к ее центру, вы не сможете выгребать в своей ракете достаточно быстро.

Вы обречены.

Можно представить это и по-другому, но такое сравнение будет еще более фантастическим (если такое вообще возможно). Если вы взглянете на (чертовски сложные) уравнения, описывающие поведение пространства и времени вблизи черной дыры, вы обнаружите, что внутри горизонта событий переменные, представляющие пространство, ограничены. Вне черной дыры — например, там, где вы находитесь сейчас, — вы можете свободно двигаться в пространстве: вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо. Однако внутри черной дыры эта свобода исчезает. Движение возможно лишь в одном направлении — вниз.

Черные дыры забавны: даже такое элементарное действие, как движение, оказывается сложным. Но основной вывод таков: если вы проваливаетесь, что бы там ни было, вам конец.

Астрофил: черная дыра из A-List получила лицо

Astrofile — наша еженедельная колонка, посвященная любопытным космическим объектам, от Солнечной системы до самых дальних уголков мультивселенной

Пространство

10 февраля 2012 г.

Дэвид Шига

Как настоящий ( Изображение: Декстер, МакКинни и Агол )

Тип объекта: Черная дыра
Местонахождение: Галактика M87, 50 миллионов световых лет от Земли

7 9000 красивая фотография очень образ жизни для человеческих знаменитостей. Не такие астрономические. Самая массивная из когда-либо измеренных черных дыр, которая находится в сердце галактики M87, в 50 миллионах световых лет от Земли, является самым близким к небесной шишке из всех известных нам объектов. Тем не менее, ни ее, ни любой другой черной дыры не удалось сфотографировать.

Это проблема не только фанатов, жаждущих пин-ап. Наблюдение за тенью черной дыры станет первым прямым доказательством того, что эти причудливые объекты действительно существуют. Более того, наблюдение за тем, как свет огибает края тени, также может выявить отклонения от общей теории относительности Эйнштейна, господствующей теории гравитации, которую некоторые физики хотят заменить.

Реклама

Проблема не в том, что черные дыры невидимы: будучи большими поглотителями света, они должны казаться черным пятном на ярком фоне. Скорее, все известные черные дыры находятся слишком далеко, чтобы обычные телескопы могли разглядеть тень. Тем не менее, есть планы сделать снимок черной дыры с помощью радиотелескопов, расположенных далеко друг от друга на Земле, но вместе действующих как один огромный телескоп диаметром в тысячи километров.

Тем временем Джейсон Декстер из Калифорнийского университета в Беркли и его коллеги создали следующую лучшую вещь — самый реалистичный предварительный просмотр того, как выглядит черная дыра в центре M87. Помимо изображения лица этого объекта из списка А, их симуляции раскрывают детали, которые позволяют предположить, что увидеть черную дыру M87 на самом деле вполне возможно.

Размазанные струи

Команда смоделировала поведение материи и света вблизи черной дыры M87. В отличие от предыдущих попыток, их расчеты полностью учитывали общую теорию относительности и эффекты мощных магнитных полей вблизи черной дыры.

Они смоделировали вращающийся вокруг него диск из газа и пыли, а также мощную струю электрически заряженных частиц, вылетающую в космос из окрестностей черной дыры.

И диск, и струя излучают радиоволны. Но вместо того, чтобы двигаться по прямой линии, радиоволны изгибаются мощной гравитацией черной дыры, которая немного действует как линза.

Это радикально исказило бы внешний вид диска и струи на радиоизображениях, как обнаружили исследователи, размазав их, чтобы получился яркий полумесяц, окружающий темную тень черной дыры.

На реальном изображении существование этой тени явилось бы прямым свидетельством наличия горизонта событий, определяющей черты черной дыры. Как только свет или что-то еще проходит внутри этой границы, он уже не может выйти наружу.

Цель: M87

Моделирование предполагает, что тень черной дыры можно наблюдать с помощью телескопов, которые исследователи планируют подключить для этой цели. Исследователи пришли к такому выводу из расчетов размера тени и размера мельчайших деталей, различимых такими связанными телескопами.

Масса, которая недавно была увеличена до массы Солнца в 6,4 миллиарда раз, черная дыра M87 кажется идеальной фотографической мишенью, потому что ее тень должна выглядеть на небе относительно большой.

Хотя черная дыра в центре нашей собственной галактики кажется немного больше, потому что она намного ближе, положение M87 в небе означает, что ее легче наблюдать с помощью одних из лучших радиотелескопов. Его черная дыра вполне может быть первой, которую можно увидеть напрямую.

Эти изображения будут следующей лучшей вещью, чем реальное путешествие через горизонт событий в черную дыру — опыт, который был смоделирован, но навсегда останется в сфере научной фантастики.

Ссылка на журнал: Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества , DOI: 10.1111/j.1365-2966.2012.20409.x

Читать предыдущие колонки астрофилов: Планеты для пинбола становятся дикими, смертельно опасными, Представьте себя на доске для песка на Титане, Как обнаружить галактику темной материи, Взглянуть на неуловимую материю в раскалывающейся звезде, Классное эхо от самой большой звезды галактики, Остановившиеся часы углубляют загадки пульсара, Раненая галактика — суть космического детектива, Комета убивает искру Рождественское световое шоу?, Blinged Звезды родились богатыми, Сверхкритический водный мир кувыркается, Атака таинственных зеленых пузырей, Звезды-нежити снова восстают как сверхновые, Липкое звездное скопление, по большей части черная дыра.

Куда ведут черные дыры?

Куда ведут черные дыры?
(Изображение предоставлено журналом All About Space)

Итак, вы вот-вот прыгнете в черную дыру. Что может вас ждать, если вы, несмотря ни на что, каким-то образом выживете? Где бы вы оказались и какими дразнящими историями вы бы смогли насладиться, если бы вам удалось вернуться обратно?

Простой ответ на все эти вопросы, как объясняет профессор Ричард Мэсси, звучит так: «Кто знает?» Как научный сотрудник Королевского общества в Институте вычислительной космологии Даремского университета, Мэсси полностью осознает, что тайны черных дыр очень глубоки.

«Падение за горизонт событий — это буквально выход за пределы завесы — как только кто-то упадет за него, никто не сможет отправить сообщение в ответ», — сказал он. «Они были бы разорваны на куски огромной гравитацией, так что я сомневаюсь, что кто-то, кто провалился бы, смог бы куда-нибудь добраться».

Связанный: Тест «Черная дыра»: насколько хорошо вы знаете самые странные творения природы?

Если это звучит как разочаровывающий — и болезненный — ответ, то этого следовало ожидать. С тех пор, как считалось, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала черные дыры, связав пространство-время с действием гравитации, было известно, что черные дыры возникают в результате смерти массивной звезды, оставляющей после себя небольшой плотный остаток ядра. Если предположить, что масса этого ядра более чем в три раза превышает массу Солнца, гравитация превзойдет его до такой степени, что оно упадет само на себя в единую точку или сингулярность, понимаемую как бесконечно плотное ядро ​​черной дыры.

Получившаяся в результате непригодная для жизни черная дыра будет иметь такое сильное гравитационное притяжение, что даже свет не сможет избежать ее. Итак, если вы окажетесь на горизонте событий — точке, в которой свет и материя могут проходить только внутрь, как предложил немецкий астроном Карл Шварцшильд, — спасения нет. По словам Мэсси, приливные силы разрежут ваше тело на нити атомов (или «спагеттификация», как это также известно), и объект в конечном итоге окажется раздавленным в сингулярности. Идея о том, что вы можете выскочить где-нибудь — возможно, на другой стороне — кажется совершенно фантастической.

А червоточины?

Черные дыры — это странные области, где гравитация достаточно сильна, чтобы искривлять свет, искривлять пространство и искажать время. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, автором SPACE.com)

На протяжении многих лет ученые изучали возможность того, что черные дыры могут быть червоточинами для других галактик. Они могут быть даже, как предполагают некоторые, путем в другую вселенную.

Такая идея витала в воздухе в течение некоторого времени: Эйнштейн объединился с Натаном Розеном, чтобы теоретизировать мосты, соединяющие две разные точки пространства-времени в 1935. Но в 1980-х годах она получила новое развитие, когда физик Кип Торн — один из ведущих мировых экспертов по астрофизическим последствиям общей теории относительности Эйнштейна — поднял дискуссию о том, могут ли объекты физически проходить сквозь них.

«Прочитав популярную книгу Кипа Торна о червоточинах, я впервые увлекся физикой в ​​детстве, — сказал Мэсси. Но маловероятно, что червоточины существуют.

Действительно, Торн, давший свой экспертный совет съемочной группе голливудского фильма «Интерстеллар», писал: «Мы не видим в нашей Вселенной объектов, которые могли бы превратиться в червоточины с возрастом» в своей книге «Наука межзвездного» (The Science of Interstellar). В. В. Нортон и компания, 2014 г.). Торн сказал Space.com, что путешествия через эти теоретические туннели, скорее всего, останутся научной фантастикой, и, конечно же, нет убедительных доказательств того, что черная дыра может позволить такой проход.

Похожие: Самые странные черные дыры во Вселенной

Но проблема в том, что мы не можем подойти поближе, чтобы увидеть это своими глазами. Да ведь мы даже не можем сфотографировать что-либо, что происходит внутри черной дыры — если свет не может вырваться из-под их огромной гравитации, то камера ничего не может заснять. В нынешнем виде теория предполагает, что все, что выходит за горизонт событий, просто добавляется к черной дыре, и, более того, поскольку время искажается вблизи этой границы, кажется, что это происходит невероятно медленно, поэтому ответы не будут быстрыми. предстоящий.

«Я думаю, что стандартная версия состоит в том, что они ведут к концу времен», — сказал Дуглас Финкбейнер, профессор астрономии и физики Гарвардского университета. «Наблюдатель издалека не увидит, как его друг-космонавт падает в черную дыру. Они будут становиться все краснее и слабее по мере приближения к горизонту событий [в результате гравитационного красного смещения]. место за пределами «навсегда». Что бы это ни значило».

Художественная концепция червоточины. Если червоточины существуют, они могут вести в другую вселенную. Но нет никаких доказательств того, что червоточины реальны или что черная дыра может действовать как таковая. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Возможно, черная дыра ведет в белую

Конечно, если черные дыры ведут в другую часть галактики или в другую вселенную, должно быть что-то напротив них на другой стороне . Могла ли это быть белая дыра — теорию, выдвинутую русским космологом Игорем Новиковым в 1964 году? Новиков предположил, что черная дыра связана с белой дырой, существовавшей в прошлом. В отличие от черной дыры, белая дыра позволит свету и материи уйти, но свет и материя не смогут войти.

Ученые продолжают исследовать возможную связь между черными и белыми дырами. В своем исследовании 2014 года, опубликованном в журнале Physical Review D , физики Карло Ровелли и Хэл М. Хаггард заявили, что «существует классическая метрика, удовлетворяющая уравнениям Эйнштейна вне конечной области пространства-времени, где материя коллапсирует в черная дыра, а затем появляется из временной дыры». Другими словами, весь материал, проглоченный черными дырами, может быть выброшен наружу, и черные дыры могут стать белыми дырами, когда умрут.

Истории по теме

Коллапс черной дыры не только не уничтожит поглощаемую ею информацию, но и остановит ее. Вместо этого он испытает квантовый отскок, позволяющий информации ускользнуть. Если это так, то это пролило бы некоторый свет на предложение бывшего космолога и физика-теоретика Кембриджского университета Стивена Хокинга, который в 1970-х исследовал возможность того, что черные дыры испускают частицы и излучение — тепловое тепло — в результате квантовых флуктуаций. .

— Хокинг сказал, что черная дыра не вечна, — сказал Финкбейнер. Хокинг подсчитал, что излучение заставит черную дыру терять энергию, сжиматься и исчезать, как описано в его статье 1976 года, опубликованной в Physical Review D. Учитывая его заявления о том, что испускаемое излучение будет случайным и не будет содержать никакой информации. о том, что упало, черная дыра после взрыва сотрет массу информации.

Это означало, что идея Хокинга противоречила квантовой теории, согласно которой информацию невозможно уничтожить. Физики утверждают, что информацию становится труднее найти, потому что, если она потеряется, становится невозможно узнать прошлое или будущее. Идея Хокинга привела к «информационному парадоксу черной дыры», который долгое время озадачивал ученых. Некоторые говорят, что Хокинг просто ошибался, а сам человек даже заявил, что допустил ошибку во время научной конференции в Дублине в 2004 г.

Итак, вернемся ли мы к концепции черных дыр, излучающих сохраненную информацию и выбрасывающих ее обратно через белую дыру? Может быть. В своем исследовании 2013 года, опубликованном в Physical Review Letters , Хорхе Пуллин из Университета штата Луизиана и Родольфо Гамбини из Университета Республики в Монтевидео, Уругвай, применили петлевую квантовую гравитацию к черной дыре и обнаружили, что гравитация увеличивается в направлении ядро, но уменьшало и отбрасывало все, что входило в другую область вселенной. Результаты придали дополнительную достоверность идее о том, что черные дыры служат порталами. В этом исследовании сингулярности не существует, и поэтому она не образует непреодолимого барьера, который в конечном итоге сокрушает все, что встречает на своем пути. Это также означает, что информация не исчезает.

Возможно, черные дыры никуда не делись

Тем не менее, физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли все еще верили, что Хокинг что-то уловил. Они работали над теорией, которая стала известна как брандмауэр AMPS или гипотеза брандмауэра черной дыры. По их расчетам, квантовая механика могла реально превратить горизонт событий в гигантскую огненную стену, и все, что соприкоснется с ней, сгорит в одно мгновение. В этом смысле черные дыры никуда не ведут, потому что ничто не может проникнуть внутрь.

Однако это противоречит общей теории относительности Эйнштейна. Тот, кто пересекает горизонт событий, на самом деле не должен чувствовать каких-либо больших трудностей, потому что объект будет находиться в свободном падении и, исходя из принципа эквивалентности, этот объект — или человек — не будет испытывать экстремальных эффектов гравитации. Это могло бы следовать законам физики, присутствующим в других частях Вселенной, но даже если бы это не противоречило принципу Эйнштейна, это подорвало бы квантовую теорию поля или предположило бы, что информация может быть потеряна.

Художественное представление о приливном разрушении, которое происходит, когда звезда проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. (Изображение предоставлено журналом All About Space)

Черная дыра неопределенности

Шаг вперед Хокинг еще раз. В 2014 году он опубликовал исследование , в котором отказался от существования горизонта событий — то есть там нечему гореть — заявив, что вместо этого гравитационный коллапс создаст «видимый горизонт».

Этот горизонт будет приостанавливать световые лучи, пытающиеся удалиться от ядра черной дыры, и будет существовать в течение «периода времени». В его переосмыслении кажущиеся горизонты временно сохраняют материю и энергию, прежде чем растворяться и высвобождаться позже. Это объяснение лучше всего согласуется с квантовой теорией, которая утверждает, что информацию нельзя уничтожить, и, если это когда-либо будет доказано, оно предполагает, что из черной дыры может вырваться что угодно.

Хокинг дошел до того, что сказал, что черные дыры могут даже не существовать. «Черные дыры следует переопределить как метастабильные связанные состояния гравитационного поля», — писал он. Не было бы сингулярности, и хотя видимое поле двигалось бы внутрь из-за гравитации, оно никогда не достигало бы центра и не объединялось бы в плотной массе.

(Изображение предоставлено: Karl Tate, SPACE.com Contributor)

(открывается в новой вкладке)

И все же все, что излучается, не будет в форме проглоченной информации. Было бы невозможно понять, что вошло, глядя на то, что выходит, что само по себе вызывает проблемы — не в последнюю очередь, скажем, для человека, оказавшегося в таком тревожном положении. Они больше никогда не будут чувствовать себя так, как раньше!

Одно можно сказать наверняка, эта конкретная загадка поглотит еще много научных часов в течение долгого времени. Ровелли и Франческа Видотто недавно предположили, что компонент темной материи может быть образован остатками испарившихся черных дыр, а статья Хокинга о черных дырах и «мягких волосах» была выпущена в 2018 году и описывает, как нулевая энергия частицы остаются вокруг точки невозврата, горизонта событий — идея, которая предполагает, что информация не теряется, а захватывается.

Это противоречит теореме об отсутствии волос, сформулированной физиком Джоном Арчибальдом Уилером и основанной на том, что две черные дыры будут неразличимы для наблюдателя, потому что ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц не сохранится. Это идея, которая заставила ученых говорить, но есть некоторый путь, прежде чем она станет ответом на вопрос, куда ведут черные дыры. Если бы мы только могли найти способ прыгнуть в один из них.

Дополнительные ресурсы

Вы можете узнать больше о черных дырах из подробной статьи НАСА и узнать, как было получено первое изображение черной дыры. Если вы ищете контент для детей, у ESA есть несколько отличных ресурсов (открывается в новой вкладке) для обучения малышей всему, что касается черных дыр и Вселенной.

Библиография

  • За пределами Эйнштейна: от Большого взрыва до черных дыр (открывается в новой вкладке) 
  • Червоточины: типы и создание (открывается в новой вкладке) 

(Изображение предоставлено журналом All About Space)

(открывается в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она проживает в Ноттингеме, Великобритания.0007

Что бы вы увидели, попав в черную дыру?

Библиотеки Бирмингема

Черные дыры — одни из самых загадочных объектов во всей Вселенной. Объекты настолько плотные, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, никогда не может выйти из него. Было идентифицировано много физических черных дыр, от звездных по массе в нашей собственной галактике до сверхмассивных в центрах большинства галактик, масса которых во много миллионов или даже миллиардов раз превышает массу нашего Солнца. Ключевое свойство, окружающее горизонт событий, то, что свет никогда не может выйти из него, устанавливает границу в пространстве: как только вы пересекаете ее, вы обречены на попадание в центральную сингулярность. Но что бы вы увидели, когда упали? Останутся ли огни или Вселенная погрузится во тьму? Наконец-то физика расшифровала ответ, и он великолепен.

Рентген: NASA/UMass/D.Wang et al., ИК: NASA/STScI

В центре нашей собственной галактики мы смогли наблюдать движение звезд вокруг центральной точечной массы с масса около 4 миллионов солнечных масс, которая вообще не излучает свет. В частности, этот объект — «Стрелец A*» — является верным кандидатом на роль черной дыры, о чем мы можем сказать напрямую, измерив звезды, которые вращаются вокруг него уже полных два десятилетия.

Но есть ряд очень нелогичных вещей, которые происходят, когда вы приближаетесь к горизонту событий черной дыры, и все становится еще хуже, когда вы пересекаете его. Есть очень, очень веская причина, по которой, как только вы перелетите через этот невидимый барьер, вы никогда не сможете выбраться! Это остается верным независимо от того, в черную дыру какого класса вы попали, даже если бы у вас был космический корабль, способный ускоряться в любом направлении с произвольно большой скоростью. Оказывается, ОТО – очень суровая госпожа, особенно когда речь идет о черных дырах. Причина во многом связана с величайшим достижением Эйнштейна, которому в этом году исполняется 100 лет: все из-за того, как черная дыра, уникальная среди масс, искривляет пространство-время.

Пользователь Pixabay JohnsonMartin

Когда вы находитесь очень далеко от черной дыры, ткань пространства менее искривлена. На самом деле, когда вы находитесь очень далеко от черной дыры, ее гравитация неотличима от любой другой массы, будь то нейтронная звезда, обычная звезда или просто рассеянное облако газа. Пространство-время может быть искривлено, но все, что вы можете сказать, находясь в удаленном месте, это то, что это связано с наличием массы, а не со свойствами или распределением этой массы. Но если посмотреть глазами, то вместо газового облака, звезды или нейтронной звезды в центре была бы совершенно черная сфера, от которой не будет видно света. (Отсюда и слово «черный» в названии «черные дыры».)

НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калтех

Эта сферическая область, известная как горизонт событий, является не физическим объектом, а скорее областью пространства   определенного размера  из которой не может выйти свет. Издалека кажется, что он такого размера, как и следовало ожидать. Другими словами, когда вы приблизитесь к черной дыре, она будет буквально выглядеть как дыра полной черноты, вырисовывающаяся на фоне космоса, а свет от окружающей среды сильно искажен.

Команда SXS; Бон и др. 2015

Для черной дыры массой Земли эта сфера была бы крошечной: около 1 см в радиусе, а для черной дыры массой Солнца сфера была бы ближе к 3 км в радиусе. Если вы масштабируете массу (и, следовательно, размер) вплоть до сверхмассивной черной дыры  — «подобной той, что находится в центре нашей галактики», — это будет больше похоже на размер планетарной орбиты или красной гигантской звезды, такой как Бетельгейзе!

А. Дюпри (CfA), Р. Гиллиленд (STScI), НАСА

Итак, теперь вы готовы увидеть окончательную визуализацию: что происходит, когда вы приближаетесь к черной дыре и в конечном итоге входите в нее?

На большом расстоянии кажущаяся геометрия того, что вы видите, работает именно так, как вы и ожидали, в соответствии с вашими расчетами. Но когда вы путешествуете на своем прекрасно оборудованном неразрушимом космическом корабле, вы начинаете замечать что-то странное, когда приближаетесь к этой черной дыре. Если вы уменьшите вдвое расстояние между вами и звездой, угловой размер звезды окажется в два раза больше. Если вы сократите расстояние до четверти, оно будет казаться в четыре раза больше. Но черные дыры разные.

Уте Краус, Группа физического образования Краус, Университет Хильдесхайма

В отличие от всех других объектов, к которым вы привыкли, где они визуально увеличиваются пропорционально удалению от них, эта черная дыра, кажется, растет гораздо быстрее, чем вы ожидали, благодаря невероятной кривизне пространства.

С нашей точки зрения с Земли черная дыра в центре галактики будет казаться крошечной, а ее радиус измеряется микросекундами дуги. Тем не менее, по сравнению с наивным радиусом, который вы вычисляете в теории относительности, он на самом деле будет казаться на 150% больше из-за искривления пространства. Если вы приблизитесь к нему, к тому времени горизонт событий должен быть размером с полную Луну на небе, на самом деле он больше, чем в четыре раза! Причина, конечно же, в том, что пространство-время искривляется все сильнее и сильнее по мере приближения к черной дыре, и поэтому «линии света», которые вы можете видеть на окружающих вас звездах Вселенной, катастрофически искривляются. формы.

Эндрю Гамильтон / JILA / Университет Колорадо

И наоборот, видимая площадь черной дыры, кажется, растет и резко увеличивается; к тому времени, как вы окажетесь всего в нескольких (может быть, 10) радиусах Шварцшильда от нее, черная дыра вырастет до таких видимых размеров, что закроет почти весь вид спереди вашего космического корабля. Это огромное отличие от простого геометрического объекта, подобного тому, что находится в неискривленном пространстве, который, казалось бы, размером с ваш кулак, находящийся на расстоянии вытянутой руки.

По мере того, как вы приближаетесь к ISCO  — или к самой внутренней стабильной круговой орбите  — которая составляет 150% радиуса горизонта событий, вы замечаете, что вид спереди с вашего космического корабля становится полностью черным. Как только вы пересекаете эту точку, даже заднее направление, обращенное от черной дыры, начинает покрываться тьмой. Опять же, это из-за того, как световые дорожки из разных точек проходят в этом сильно искривленном пространстве-времени. Для тех из вас (любителей физики), которым нужна качественная аналогия, она начинает очень походить на линии электрического поля, когда вы приближаете точечный заряд к проводящему шару.

Дж. Белчер из Массачусетского технологического института

В этот момент, еще не пересекнув горизонт событий, еще можно выбраться. Если вы обеспечите достаточное ускорение вдали от горизонта событий, вы сможете избежать его гравитации и заставить Вселенную вернуться в ваше безопасное, далекое от черной дыры, асимптотически плоское пространство-время. Ваши гравитационные датчики могут сказать вам, что есть определенный уклон вниз к центру черноты и от областей, где вы все еще можете видеть звездный свет. Следующая визуализация делает это в основном правильным, за исключением синего смещения света.

Но если вы продолжите свое падение к горизонту событий, вы в конце концов увидите, как звездный свет сжимается в крошечную точку позади вас, меняя цвет на синий из-за гравитационного синего смещения. В последний момент перед тем, как вы перейдете за горизонт событий, эта точка станет красной, белой, а затем синей, поскольку космическое микроволновое и радиофоновое излучение смещаются в видимую часть спектра для вашего последнего, последнего взгляда на внешний мир. Вселенная, по-прежнему предполагая, что больше ничего с тобой не происходит.

Э. Сигел

А потом… чернота. Ничего такого. Изнутри горизонта событий свет из внешней Вселенной не попадает на ваш космический корабль. Теперь вы думаете о своих невероятных двигателях космического корабля и о том, как вы можете попытаться выбраться. Вы помните, в каком направлении была сингулярность, и, конечно же, в этом направлении есть гравитационный градиент.

Эта трактовка предполагает, что ни впереди, ни позади вас в черную дыру не падает никакая другая материя или свет. На видео ниже показано, что произойдет, если вы позволите свету из внешней Вселенной попасть в черную дыру вокруг вас, что он и делает в реальной жизни. Вы пересечете горизонт событий примерно на отметке 0:37 в видео.

Что удивительно, так это то, что даже если бы вы не были заброшены падающим светом, который догоняет вас сзади  — что составляет «половину» видимой Вселенной, которой все еще есть что вам показать  — вы все равно могли бы принести гравитационные датчики на борту. Как только вы пересекли горизонт событий, независимо от того, есть там свет или нет, вы обнаружите нечто шокирующее.

Ваши датчики сообщают вам, что гравитационный градиент направлен вниз, к сингулярности, во всех направлениях! Градиент даже, кажется, идет вниз к сингулярности прямо позади вас, в направлении, которое, как вы знали, полностью противоположно сингулярности!

Как это возможно?

Боб Гарднер / ETSU

Это возможно, потому что вы находитесь внутри горизонта событий. Любой испускаемый вами световой луч (который вы никогда не сможете поймать) в конечном итоге упадет в сторону сингулярности; вы слишком глубоко в горле черной дыры, чтобы она могла оказаться где-то еще!

Сколько времени у вас будет, прежде чем это произойдет, когда вы пересечете горизонт сверхмассивной черной дыры массой в четыре миллиона солнечных масс в центре галактики? Хотите верьте, хотите нет  — несмотря на то, что мы говорим о горизонте событий, который может быть около светового часа в диаметре в нашей системе отсчета  — потребуется всего около 20 секунд, чтобы достичь сингулярности после пересечения горизонта событий. Сильно искривленное пространство, конечно, больно!