Каково это: упасть в черную дыру?

Каково это — свалиться во вращающуюся черную дыру? Наблюдать это невозможно, но рассчитать можно… Вопрос чрезвычайно интересный, и наука способна дать на него ответ, ведь свойства черных дыр известны. Доктор астрофизики общался со многими людьми, делавшими такие расчеты, и спешит рассказать о чрезвычайно интересных выводах, подкрепленных рядом визуализаций.

Существует множество ужасных способов, посредством которых Вселенная может что-нибудь уничтожить. В космосе, если вы попытаетесь задержать дыхание, ваши легкие взорвутся. А если вы выдохнете весь воздух до последней молекулы, то через пару секунд отключитесь. В некоторых местах Вселенной вы превратитесь в ледышку, когда тепло покинет ваше тело; в других же местах так жарко, что ваши атомы превратятся в плазму. Но задумываясь о том, как Вселенная может избавиться от меня (или от вас), я не могу себе представить более завораживающего зрелища, чем отправиться в черную дыру. Так же думает и ученый Хейно Фальке (Heino Falcke), работающий над проектом Телескоп горизонта событий. Он спрашивает:

Каково это — свалиться во вращающуюся черную дыру? Наблюдать это невозможно, но рассчитать можно… я разговаривал со многими людьми, делавшими такие расчеты, но я старею, и многое начинаю забывать.

Вопрос этот чрезвычайно интересный, и наука способна дать на него ответ. Давайте спросим ее.

Согласно нашей теории тяготения, эйнштейновской общей теории относительности, есть всего три характеристики, которые определяют свойства черной дыры. Вот они:

Если мыслить реалистически, все существующие во Вселенной черные дыры должны иметь большую массу, значительный вращательный момент и ничтожный заряд. Это очень сильно усложняет дело.

Думая о черной дыре, мы представляем ее в упрощенном виде, характеризуя только по массе. У нее есть горизонт событий вокруг единой точки (сингулярности), а также окружающая эту точку область, из которой не может выйти свет. Эта область имеет форму идеальной сферы и границу, разделяющую участки, способные испускать свет, и не способные. Эта граница и есть горизонт событий. Горизонт событий находится на вполне конкретном и равном удалении (радиус Шварцшильда) от сингулярности во всех направлениях.

Это упрощенное описание реальной черной дыры. Но лучше начать с физических явлений, происходящих в двух конкретных местах: за пределами горизонта событий и внутри горизонта событий.

За пределами горизонта событий гравитация ведет себя как обычно. Пространство искривляется от присутствия этой массы, придавая всем объектам во Вселенной ускорение в направлении центральной сингулярности. Если мы начнем с большого расстояния от черной дыры в состоянии покоя и позволим объекту попасть в нее, то что мы увидим?

Предположим, что мы в состоянии сохранять неподвижность. В этом случае мы увидим, как объект медленно, но с ускорением удаляется от нас, двигаясь в сторону этой черной дыры. Он ускоряется в направлении горизонта событий, сохраняя свой цвет. Но затем происходит нечто странное. Объект как будто замедляется, гаснет и расплывается, а потом приобретает все более красный цвет. Но полностью он не исчезает. Вместо этого он как бы приближается к такому состоянию исчезновения: становится менее отчетливым, более красным, и обнаружить его все сложнее. Горизонт событий — это нечто вроде асимптоты света объекта: мы всегда сможем увидеть его, если тщательно приглядимся.

А теперь представьте себе такой же сценарий, но на сей раз мы не будем наблюдать за падающим в черную дыру объектом издалека. Мы представим себя на месте падающего объекта. И в этом случае ощущения у нас будут совершенно другие.

Горизонт событий по мере искривления пространства увеличивается намного быстрее, чем мы ожидали. Вокруг горизонта событий пространство настолько искривлено, что мы начинаем видеть многочисленные образы находящейся вовне Вселенной, как будто она отражается и выворачивается наизнанку.

А когда мы пересекаем горизонт событий и попадаем вовнутрь, мы видим не только внешнюю Вселенную, но и часть ее внутри горизонта событий. Полученный нами свет смещается в фиолетовую часть спектра, затем снова в красную, а мы неотвратимо падаем в сингулярность. В последние моменты космическое пространство кажется странно плоским.

Физическая картина этого явления сложна, но расчеты довольно просты и понятны, и их блестяще выполнил в серии своих написанных в 2000-2010 годах научных работ Эндрю Хэмилтон (Andrew Hamilton) из Колорадского университета. Хэмилтон на основе своих расчетов также создал серию ярких визуализаций того, что мы видим, попадая в черную дыру.

Исследуя эти результаты, можно извлечь множество уроков, и многие из них противоречат здравому смыслу. Попытка разобраться в них поможет нам изменить наши зрительные представления о пространстве. Обычно мы представляем себе пространство как некую неподвижную структуру и думаем, что наблюдатель провалился куда-то внутри нее. Однако внутри горизонта событий мы постоянно находимся в движении. Все пространство по существу находится в движении подобно конвейеру. Оно движется постоянно, перемещая все внутри себя в направлении сингулярности.

Оно перемещает все настолько быстро, что даже если мы начнем с ускорением двигаться прочь от сингулярности, имея бесконечное количество силы, мы все равно будем падать в сторону центра. Свет от объектов, находящихся за пределами горизонта событий, все равно будет доходить до нас со всех направлений, но мы, находясь внутри горизонта событий, сможем видеть лишь часть этих объектов.

Линия, определяющая границу между тем, что видит наблюдатель, в математике называется кардиодида. Компонент самого большого радиуса кардиодиды касается горизонта событий, а компонент самого маленького радиуса заканчивается в сингулярности. Это значит, что хотя сингулярность и является точкой, она не соединяет неизбежно то, что попадает вовнутрь, со всем остальным. Если вы и я попадем одновременно в противоположные стороны горизонта событий, то после его пересечения увидеть друг друга мы уже не сможем.

Причина этого в структуре самой Вселенной, которая постоянно находится в движении. Внутри горизонта событий пространство движется быстрее света, и поэтому ничто не может выйти за пределы черной дыры. По этой же причине, находясь внутри черной дыры, мы начинаем видеть странные вещи, например, множество образов одного и того же объекта.

Понять это можно, задав следующий вопрос: «Где находится сингулярность?»

Находясь внутри горизонта событий черной дыры мы, начав движение в любом направлении, со временем уткнемся в сингулярность. Это удивительно, но сингулярность появляется во всех направлениях! Если вы двигаетесь ногами вперед и ускоряетесь, вы будете видеть свои ноги под собой и одновременно над собой. Все это довольно просто рассчитать, хотя такая картина кажется поразительным парадоксом. А между тем, мы рассматриваем лишь упрощенный случай: черную дыру, которая не вращается.

А теперь давайте перейдем к самому интересному с точки зрения физики и посмотрим на черную дыру, которая вращается. Своим происхождением черные дыры обязаны системам материи, таким как звезды, которые постоянно вращаются с той или иной скоростью. В нашей Вселенной (и в общей теории относительности) вращательный момент это сохраняемое свойство любой закрытой системы, и избавиться от него нет никакой возможности. Когда совокупность материи сжимается до радиуса, который меньше радиуса горизонта событий, вращательный момент, как и масса, попадает в ловушку и удерживается внутри.

Здесь решение намного сложнее. Эйнштейн выдвинул свою теорию относительности в 1915 году, а Карл Шварцшильд получил решение по невращающейся черной дыре в начале 1916 года, то есть, на пару месяцев позже. Но следующий шаг по реалистичному моделированию этой проблемы — с учетом того, что у черной дыры есть не только масса, но и вращательный момент — был сделан лишь в 1963 году Роем Керром (Roy Kerr), который нашел решение.

Существуют некоторые фундаментальные и важные различия между несколько наивным и простым решением Шварцшильда, и более реалистичным и сложным решением Керра. Вот некоторые удивительные различия:

Зная все это, можем ли мы понять, что происходит, когда мы попадаем внутрь вращающейся черной дыры? Да то же самое, что и при попадании внутрь невращающейся черной дыры, за исключением того, что пространство не ведет себя так, будто оно сваливается в центральную сингулярность. Пространство ведет себя так, будто его тянут по окружности в направлении вращения. Это похоже на водоворот. Чем больше соотношение вращательного движения и массы, тем быстрее происходит вращение.

Это значит, что если мы видим нечто, падающее вовнутрь, мы заметим, как это нечто краснеет и постепенно исчезает, но не только. Оно сдавливается и превращается в кольцо или диск по направлению вращения. Если мы попадем внутрь, нас будет кружить как на взбесившейся карусели, засасывая в центр. А когда мы достигнем сингулярности, она будет в форме кольца. Разные части нашего тела попадут в сингулярность на внутренней эргоповерхности керровой черной дыры в разных пространственных координатах. Приближаясь к сингулярности изнутри горизонта событий, мы постепенно лишимся возможности видеть другие части своего тела.

 

Самая важная информация, которую надо извлечь из всего этого, состоит в том, что структура самого пространства находится в движении; а горизонт событий определяется как место, где вы, даже имея возможность перемещаться на пределе самой высокой космической скорости, какой является скорость света, и в любом направлении, всегда будете натыкаться на сингулярность.

Визуализации Эндрю Хэмилтона — это лучшие и самые точные в научном плане имитационные модели того, что происходит при попадании в черную дыру. Они настолько противоречат логике и так парадоксальны, что я могу порекомендовать вам лишь одно: смотреть их снова и снова до тех пор, пока вы сами себя не одурачите, думая, что поняли их. Это прекрасное и фантастическое зрелище. И если дух авантюризма в вас настолько силен, что вы решитесь отправиться в черную дыру и попадете внутрь горизонта событий, это будет последнее, что вы увидите!