Вращающиеся черные дыры могут служить удобными порталами для гиперпространственных путешествий

Один из самых заветных сценариев научной фантастики - использование черной дыры в качестве портала в другое измерение, время или вселенную. Эта фантазия может оказаться ближе к реальности, чем предполагалось ранее.

Черные дыры - это, пожалуй, самые загадочные объекты во Вселенной. Они являются следствием того, что гравитация безгранично давит умирающую звезду, приводя к образованию настоящей сингулярности - это происходит, когда вся звезда сжимается в одну точку, образуя объект с бесконечной плотностью.

Эта плотная и горячая сингулярность пробивает дыру в самой ткани пространства-времени, возможно, открывая возможность для гиперпространственных путешествий. То есть, короткий путь через пространство-время, позволяющий преодолевать расстояния космического масштаба за короткий промежуток времени.

Ранее исследователи полагали, что любой космический корабль, пытающийся использовать черную дыру в качестве портала такого типа, должен будет считаться с природой в ее худшем проявлении. Горячая и плотная сингулярность заставит космический корабль пережить последовательность все более неприятных приливных растяжений и сжатий, прежде чем он полностью испарится.

Полет через черную дыру

Моя команда из Массачусетского Дартмутского университета и коллеги из колледжа Джорджия Гвиннетт показали, что все черные дыры не созданы равными.

Если такая черная дыра, как Стрелец А*, расположенная в центре нашей собственной галактики, большая и вращающаяся, то перспективы космического корабля резко меняются. Это происходит потому, что сингулярность, с которой придется столкнуться космическому кораблю, очень мягкая и может обеспечить очень спокойное прохождение.

Причина, по которой это возможно, заключается в том, что соответствующая сингулярность внутри вращающейся черной дыры технически "слабая", и поэтому не повреждает объекты, которые с ней взаимодействуют. Сначала этот факт может показаться интуитивно понятным. Но можно представить его как аналог обычного опыта быстрого проведения пальцем по пламени свечи, температура которого составляет почти 2 000 градусов, и при этом не обжечься.

Мы с моим коллегой Лиором Бурко исследуем физику черных дыр уже более двух десятилетий. В 2016 году моя аспирантка Кэролайн Мэллари, вдохновленная блокбастером Кристофера Нолана "Интерстеллар", решила проверить, сможет ли Купер (герой Мэтью Макконахи) выжить после падения в глубины Гаргантюа - вымышленной сверхмассивной, быстро вращающейся черной дыры, масса которой в 100 миллионов раз больше массы нашего Солнца.

Фильм "Интерстеллар" был основан на книге лауреата Нобелевской премии астрофизика Кипа Торна, и физические свойства Гаргантюа занимают центральное место в сюжете этого голливудского фильма.

Опираясь на работу, проделанную физиком Амосом Ори за два десятилетия до этого, и вооружившись сильными вычислительными навыками, Мэллари построила компьютерную модель, которая отражает большинство основных физических эффектов для космического корабля или любого крупного объекта, падающего в большую вращающуюся черную дыру типа Стрелец А*.

Даже не трясет?

Она обнаружила, что при всех условиях объект, падающий во вращающуюся черную дыру, не будет испытывать бесконечно больших эффектов при прохождении через так называемую сингулярность внутреннего горизонта дыры.

Это сингулярность, которую объект, входящий во вращающуюся черную дыру, не может обойти или избежать. Мало того, при правильных обстоятельствах эти эффекты могут быть пренебрежимо малы, что позволяет пройти через сингулярность довольно комфортно.

На самом деле, падающий объект может вообще не испытывать никаких заметных воздействий. Это повышает целесообразность использования больших вращающихся черных дыр в качестве порталов для гиперпространственных путешествий.

Мэллари также обнаружил особенность, которая не была полностью оценена ранее: эффект сингулярности в контексте вращающейся черной дыры привел бы к быстро увеличивающимся циклам растяжения и сжатия космического корабля.

Но для очень больших черных дыр, таких как Гаргантюа, сила этого эффекта была бы очень мала. Поэтому космический корабль и все находящиеся на его борту люди не смогут его обнаружить.

Важным моментом является то, что эти эффекты не увеличиваются беспредельно; фактически, они остаются конечными, хотя напряжения на космическом корабле имеют тенденцию к неограниченному росту по мере приближения к черной дыре.

В контексте модели Мэллари есть несколько важных упрощающих предположений и вытекающих из них предостережений. Главное допущение заключается в том, что рассматриваемая черная дыра полностью изолирована и поэтому не подвержена постоянным возмущениям со стороны такого источника, как другая звезда в ее окрестностях или даже падающее излучение.

Хотя это предположение допускает важные упрощения, стоит отметить, что большинство черных дыр окружены космическим материалом - пылью, газом, излучением.

Поэтому естественным продолжением работы Мэллари было бы проведение аналогичного исследования в контексте более реалистичной астрофизической черной дыры.

Подход Мэллари, заключающийся в использовании компьютерной симуляции для изучения влияния черной дыры на объект, очень распространен в области физики черных дыр.

Само собой разумеется, у нас пока нет возможности проводить реальные эксперименты в черных дырах или вблизи них, поэтому ученые прибегают к теории и моделированию, чтобы развить понимание, делая предсказания и новые открытия.

Гаурав Кханна, профессор физики Дартмутского университета штата Массачусетс