Что будет, если попасть в черную дыру?

Изменение роли гравитации

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация черной дыры настолько сильна, что ничто не может избежать ее. Более сложное понимание черных дыр, разработанное Стивеном Хокингом и его коллегами в 1970-х годах, не ставило под сомнение этот принцип. Хокинг и другие пытались описать материю в черных дырах и вокруг них с помощью квантовой теории, но они продолжали описывать гравитацию, используя классическую теорию Эйнштейна – это гибридный подход, который физики называют «полуклассическим».

Хотя подход предсказывал новые эффекты по периметру дыры, внутренняя часть оставалась строго изолированной. Физики пришли к выводу, что Хокинг сделал правильный полуклассический расчет – любой дальнейший прогресс должен был бы также рассматривать гравитацию как квантовую.

Такой черную дыру увидели создатели фильма «Интерстеллар»

Однако, именно это оспаривают авторы новых исследований. Как пишет Wired, они обнаружили дополнительные полуклассические эффекты – новые гравитационные конфигурации, которые допускает теория Эйнштейна, но которые Хокинг не включал.

Так или иначе, перед теоретиками еще очень много работы – само пространство-время, похоже, распадается на черную дыру, подразумевая, что пространство-время – это не корневой уровень реальности, а возникающая структура из чего-то более глубокого. И хотя Эйнштейн понимал гравитацию как геометрию пространства-времени, его теория также влечет за собой распад пространства-времени, и именно поэтому информация в конечном счете может вырваться из своей гравитационной тюрьмы.

Черная дыра, что это простыми словами. Черные дыры простым языком

Не так давно (по научным меркам) объект под названием черная дыра был сугубо гипотетическим и описывался лишь только поверхностными теоретическими выкладками. Но прогресс технологий не стоит на месте, и сейчас в существовании черных дыр уже ни у кого не вызывает сомнений. Про черные дыры написано не мало, но зачастую их описания крайне трудно понимать обычному обозревателю. В данной статье попробуем разобраться с этим весьма интересным объектом.Черная дыра обычно образуется вследствие смерти нейтронной звезды. Нейтронные звезды обычно очень массивные, яркие и крайне горячие, если сравнивать с нашим Солнцем, то это как лампочка от фонарика и гигантский прожектор на кучу мегаватт, которые используют при съемках кинофильмов. Нейтронные звезды, крайне не экономные, они используют огромные запасы ядерного топлива за относительно малые промежутки времени, по сути как малолитражка и какой-нибудь гелик, если опять таки сравнить с нашей звездой. Сжигая ядерное топливо, в ядре образуются новые элементы, более тяжелые, можно смотреть таблицу Менделеева, водород превращается в гелий, гелий в литий и тд. Продукты распада ядерного синтеза, аналогичны дыма из выхлопной трубы, за исключением, что могут повторно использоваться. И вот так звезда набирает обороты, пока дело не доходит до железа. Накопления железа в ядре — это как рак… Оно начинает убивать ее изнутри. Из-за железа масса ядра стремительно растет и в конце концов сила гравитации становится больше сил ядерных взаимодействий и ядро буквально падает, что приводит к взрыву. В момент такого взрыва освобождается колоссальное количество энергии, причем возникают два направленных луча гамма-излучения, как-будто лазерная пушка с двух концов выстреливает во вселенную, причем все что находится на пути таких лучей на расстоянии около 10 световых лет пронизывается этой радиацией. Естественно ничто живое не выживает от таких лучей, а что по-ближе вовсе сгорает. Данное излучение считается наиболее сильным во всей вселенной, большей энергией разве что обладает энергия большого взрыва. Но не все так плохо, все что было в ядре испускается в космос и в дальнейшем используется для создания планет, звезд и прочее. Давление от силы взрыва сжимает звезду до крохотных размеров, учитывая ее былые размеры плотность становится невероятно огромной. Крошка от гамбургера сделанная из такого вещества будет весить больше нашей планеты. В следствии чего получается черная дыра, которая обладает невероятной гравитацией и черной называется потому что даже свет не может вырваться из нее.Законы физики рядом с черной дырой уже не работают в том представлении, в котором мы привыкли. Пространство-время искривляется и все события протекают уже совсем по другому. Словно пылесос, черная дыра поглощает все что находится около нее: планеты, астероиды, свет и прочее. Ранее считалось, что черная дыра ничего не излучает, но как доказал Стивен Хоукинг, черная дыра излучает антивещество. То есть, поедает вещество, выделяет антивещество. К слову, если соединить вещество и антивещество, получаем бомбу которая выделит энергию E=mc2, ну тобишь самое мощное оружие на планете. Коллайдер полагаю затем и построили, чтобы попробовать такое получить, так как при столкновении протонов внутри данной машины, также возникают миниатюрные черные дыры, которые быстро испаряются, что хорошо для нас, иначе могло бы быть, как в фильмах про конец света.Ранее думали, что если кинуть в черную дыру человека, то ему труба — порвет на субатомы, но как оказалось, по некоторым уравнениям, есть определенные траектории путешествия сквозь черную дыру, чтоб чувствовать себя нормально, правда не ясно, что будет за ней, другой мир или ничего. Область вокруг черной дыры, которая интересна, называется горизонтом событий. Если туда полететь, не зная волшебное уравнение, то будет конечно не очень. Наблюдатель будет видеть, как космический корабль влетает в горизонт событий и крайне медленно потом отдаляется, пока не застынет в центре. У самого же космонавта дела будут идти крайне по другому, искривленной пространство будет лепить из него, как из пластелина различные формы, пока наконец не разорвет все на субатомы. Но для внешнего наблюдателя, космонавт навсегда останется улыбающимся и махающим в иллюминатор, застывшим изображением.

Почему Хокинг ошибся по поводу черных дыр?

Согласно недавнему исследованию Стивена Хокинга (Stephen Hawking), создавшего настоящий переполох, некоторые издания объявили о том, что черных дыр нет. Однако, это не совсем то, что утверждал Хокинг. Впрочем уже сейчас понятно, что предположение Хокинга о черных дырах ошибочно, потому что парадокс, который он пытается доказать, уже не парадокс вовсе.

Это все сводится к известному нам парадоксу огненной стены черных дыр. Главной особенностью черной дыры является ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры – точка невозврата при приближении к ней. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий представляет собой пространство и время, которые настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что их невозможно покинуть. Пересечете горизонт событий — и вы навсегда в ловушке.

Это односторонняя природа горизонта событий уже давняя проблема для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, казалось бы, нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит о том, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, то она не выделяет никакого тепла. Таким образом, температура черной дыры равна нулю, что не возможно.

Тогда в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, до тех пор, пока ее средняя величина остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).

В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну, известную как парадокс огненной стены. Когда квантовые частицы появляются парами, они спутаны, то есть, они связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая вырывается, тогда спутанность пары нарушается. В квантовой механике можно было бы сказать, что пара частиц появляется в чистом, первоначальном, виде, и горизонт событий, казалось бы, сломал это состояние.

В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга в чистом виде, тогда либо оно не может излучать в направлении, требуемом термодинамикой, или это создаст огненную стену частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадокс огненной стены, потому что согласно общей теории относительности, если оказаться вблизи горизонта событий черной дыры, ничего необычного не удастся заметить. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильной огненной стены частиц высокой энергии. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонты событий. Вместо этого они имеют кажущиеся горизонты, которые не требуют соответствия огненной стены и термодинамики. Поэтому заявление «черных дыр нет» популярно в прессе.

Но парадокс огненной стены возникает только при излучении Хокинга в чистом виде, и исследование  Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) показывает, что излучение Хокинга не в чистом виде. В своей статье, Хоссенфельдер показывает, что вместо пары спутанных частиц, излучение Хокинга связано с двумя такими парами. Одна спутанная пара попадает в ловушку черной дыры, в то время как другая убегает. Процесс похож на первоначальное предложение Хокинга, но частицы Хокинга не в чистом виде.

Таким образом, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет таким образом, который согласуется с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет огненной стены, как требует общая теория относительности. В итоге, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.

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.

Призраки погибших вселенных

На этом изображении можно увидеть многое.

В августе этого года британский физик Оксфордского университета Роджер Пенроуз сделал весьма громкое заявление. Он и его команда утверждают, что до появления нашей Вселенной, то есть до Большого взрыва, существовала другая вселенная. На такой вывод ученых натолкнул ряд наблюдаемых световых аномалий в микроволновом фоновом излучении, которые, по словам Пенроуза, представляют собой световые спирали, оставшиеся от черных дыр, принадлежавших предыдущей вселенной, существовавшей до Большого взрыва.

В одной из своих теорий еще более знаменитый британский физик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры, после того, как потеряют основную массу своих частиц, пропадают. Эти гипотетические частицы носят название гравитонов. Они не имеют массы, электрического и иного заряда, но при этом обладают энергией и поэтому участвуют в гравитационном взаимодействии.

Когда одна вселенная погибает и появляется новая, эти гравитоны, как считает, Пенроуз, становятся частью новой вселенной. Ученый и его коллеги убеждены, что обнаружили эти уцелевшие «остатки» в микроволновом фоновом излучении. Они назвали обнаруженные световые аномалии «точками Стивена Хокинга». Если наблюдения ученых подтвердятся, нас ждет серьезная редактура теории Большого взрыва.

Падение в черную дыру

Что же произойдет, если вы случайно упадете в одну из этих космических аберраций? Сначала спросим вашего космического напарника — назовем ее Анна — которая с ужасом смотрит, как вы плывете по направлению к черной дыре, в то время как она остается на безопасном расстоянии. Она наблюдает странные вещи.

Если вы ускоряетесь по направлению к горизонту событий, Анна видит, как вы растягиваетесь и искажаетесь, словно она смотрит на вас через гигантскую лупу. Кроме того, чем ближе вы подходите к горизонту, тем больше ваши движения замедляются.

Вы не можете крикнуть, поскольку воздуха в космосе нет, но можете попытаться сигнализировать Анне сообщение Морзе светом своего iPhone (даже приложение есть для этого). Однако ваши слова будут достигать ее все медленнее и медленнее, поскольку световые волны растягиваются до все более низких и красных частот: «Хорошо, х о р о ш о, х  о  р  о…».

Когда вы достигнете горизонта, Анна увидит, что вы замерзли, словно кто-то нажал кнопку паузы. Вы отпечатаетесь там, обездвиженный и вытянутый по всей поверхности горизонта, когда нарастающее тепло начнет вас поглощать.

По мнению Анны, вас медленно стирает растяжение пространства, остановка времени и тепло излучения Хокинга. Перед тем как погрузиться в темноту черной дыры, вы превратитесь в пепел.

Но прежде чем начинать планировать похороны, давайте забудем об Анне и посмотрим эту жуткую сцену с вашей точки зрения. И знаете, что тут происходит? Ничего.

Световые волны все больше растягиваются

Вы плывете прямиком в самое зловещее проявление природы и не получаете ни шишки, ни синяка — и уж точно не растягиваетесь, не замедляетесь и не поджариваетесь на излучении. Потому что находитесь в свободном падении и не испытываете гравитации: Эйнштейн назвал это «самой счастливой мыслью».

В конце концов, горизонт событий — это не кирпичная стена, плавающая в пространстве. Это артефакт перспективы. Наблюдатель, который остается вне черной дыры, не может видеть сквозь него, но это не ваша проблема. Для вас горизонта не существует.

Если бы черная дыра была меньше, у вас были бы проблемы. Сила гравитации была бы гораздо сильнее у ваших ног, чем у вашей головы, и растянула бы вас как спагетти. Но к счастью для вас это большая черная дыра, в миллионы раз массивнее Солнца, так что силы, которые могли бы вас спагеттифицировать, достаточно слабы, чтобы их можно было проигнорировать.

Более того, в достаточно большой черной дыре вы могли бы прожить остаток своей жизни, а после умереть в сингулярности.

Возможно ли вернуться обратно из черной дыры?

Насколько нормальной эта жизнь будет, большой вопрос, учитывая что вас засосало против вашей воли в разрыв в пространственно-временном континууме и обратного пути нет.

Но если задуматься, нам всем знакомо это чувство, по опыту общения не с пространством, но со временем. Время идет только вперед, никогда назад, и засасывает нас против нашей воли, не оставляя шанса на отступление.

Это не просто аналогия. Черные дыры искажают пространство и время до такого экстремального состояния, что внутри горизонта событий черной дыры пространство и время на самом деле меняются ролями. В действительности, именно время засасывает вас в сингулярность. Вы не можете развернуться и уйти из черной дыры точно так же, как не можете развернуться и уйти обратно в прошлое.

В этот момент вы спросите себя: что не так с Анной? Если вы прохлаждаетесь внутри черной дыры, будучи окруженным пустым пространством, почему ваш напарник видит, как вы сгораете в излучении на горизонте событий? Галлюцинации?

А как ваше путешествие будет выглядеть со стороны наблюдателя?

На самом деле, Анна пребывает в полном здравии. С ее точки зрения вы действительно сгорели на горизонте. Это не иллюзия. Она даже могла бы собрать ваш пепел и отправить его домой.

На самом деле, законы природы требуют, чтобы вы оставались за пределами черной дыры, как это видно с точки зрения Анны. Это потому что квантовая физика требует, чтобы информация не пропадала, не терялась. Каждый бит информации, который говорит о вашем существовании, должен оставаться за пределами горизонта, чтобы законы физики Анны не нарушались.

С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы вы плыли через горизонт, не сталкиваясь с горячими частицами или чем-то из ряда вон выходящего. В противном случае, вы будете нарушать «самую счастливую мысль» Эйнштейна и его общую теорию относительности.

Итак, законы физики требуют, чтобы вы одновременно были снаружи черной дыры в виде горстки пепла и внутри черной дыры, живы и здоровы. И есть также третий законы физики, который говорит, что информация не может быть клонирована. Вы должны быть в двух местах, но может быть только одна копия вас.

Путешествие в параллельную Вселенную

Если однажды попадете в черную дыру, осознанно ли или случайно, то первое, что нужно сделать, постараться оглядеться. Может быть, вы таким образом сможете найти выход, кто знает. Даже если окажется, что вернуться в ту Вселенную, откуда вы прибыли, уже не получится, то оказаться в параллельной Вселенной может оказаться не таким уж и плохим концом вашего путешествия.

Физики теоретизируют о том, что как только вы достигнете сингулярности черной дыры, она может послужить для вас своего рода мостом между этой и альтернативной реальностью, или так называемой «параллельной Вселенной». Что происходит в этой новой Вселенной — остается загадкой и полем для нашего воображения. Некоторые теории даже предполагают, что существует бесконечное число альтернативных Вселенных, в каждой из которых имеется равное число совершенно разных «вас».

Никогда не задумывались о сделанных в вашей жизни выборах? Что было бы, если бы вы устроились не на эту, а на ту работу, познакомились с той девчонкой или парнем, вместо того чтобы просиживать каждый день за компьютером? Стали бы вы богаче или беднее, если бы не сделали или не сделали то, что вас однажды попросили? Так вот, в альтернативной Вселенной у вас появится шанс это выяснить.

Методы обнаружения

Рассмотрим методы, которые астрономы используют для обнаружения черной дыры:

  • ЧД возможно зарегистрировать в том случае, когда она притягивает окружающую ее материю, будь то звездное вещество соседней звезды или газовое облако, через которое движется черная дыра. Компьютерное моделирование показывает падение звезды в черную дыру В таком случае видимое вещество начнет стягиваться к массивному объекту, образую вокруг него аккреционный диск. То есть диск быстровращающейся разогретой материи. В некоторых случаях вращающаяся вокруг ЧД материя может плотно перекрывать черную дыру, тем самым визуально образуя огромную светящуюся сферу.
  • Метод гравитационного возмущения позволяет определить наличие ЧД по ее гравитационному влиянию на окружающие тела. К примеру, если траектория движения планеты вокруг некоторой звезды не согласуется с теоретическими подсчетами орбиты этой планеты, а имеет некоторое искажение, можно предположить о наличии массивного объекта вблизи планеты, который влияет на ее траекторию. Данный частный случай упрощен, так как подобные ситуации позволяют обнаружить менее массивные объекты, вроде других планет. Черные дыры же могут искажать траекторию огромных облаков газа.

  • Возвращаясь к изменению траектории электромагнитного излучения вблизи черной дыры, следует отметить одно из явлений, которое также позволяет обнаружить ЧД – гравитационное линзирование. Свет, проходящий около границ черной дыры, несколько изменяет свою траекторию, создавая таким образом размытую или искаженную картинку, а иногда даже продублированное изображение космических тел. Таким образом, черная дыра, расположенная на фоне какого-либо скопления, вроде галактики или туманности, дает аномальное изображение этого скопления, что привлекает астрономов и дает повод начать поиски ЧД в этой области небосвода.

Помимо упомянутых выше методов, ученые часто связывают такие объекты как черные дыры и квазары. Квазары – некие скопления космических тел и газа, которые являются одними из самых ярких астрономических объектов во Вселенной. Так как они обладают высокой интенсивностью свечения при относительно малых размерах, есть основания предполагать, что центром этих объектов есть сверхмассивная черная дыра, притягивающая к себе окружающую материю. В силу столь мощного гравитационного притяжения притягиваемая материя настолько разогрета, что интенсивно излучает. Обнаружение подобных объектов обычно сопоставляется с обнаружением черной дыры. Иногда квазары могут излучать в две стороны струи разогретой плазмы – релятивистские струи. Причины возникновения таких струй (джет) не до конца ясны, однако вероятно они вызваны взаимодействием магнитных полей ЧД и аккреционного диска, и не излучаются непосредственной черной дырой.

Джет в галактике M87 бьющий из центра ЧД

Подводя итоги вышесказанного, можно представить себе, как выглядит черная дыра в космосе вблизи: это сферический черный объект, вокруг которого вращается сильно разогретая материя, образуя светящийся аккреционный диск.

Зачем землянам изображение черной дыры?

Снимок подтверждает как сам факт существования черных дыр — хотя в нем никто и так не сомневался, — так и то, насколько точны наши представления о них и бублике из пожираемой ими материи. Попутно он позволил несколько уточнить размеры и, соответственно, массу сверхмассивной черной дыры в центре эллиптической (округлой) галактики М87 в 53,5 миллиона световых лет от нас. М87 оказалась очень солидной дырой — в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца. Диаметр ее — 30 миллиардов километров. То есть если взять центральную часть Солнечной системы — от Солнца до Плутона — и засунуть ее внутрь этой черной дыры, то все наши планеты там спокойно поместятся и еще останется немало дополнительного места.

Другая примечательная деталь: судя по новым снимкам, черная дыра М87 вращается с огромной скоростью, более 90% от теоретически возможной. С близкой скоростью вращается и бублик материи вокруг нее. Такая огромная скорость вращения получена для черной дыры впервые и очень интересна. Дело в том, что черная дыра вращается тем быстрее, чем больше вещества упало на нее за всю ее историю. Получается, М87 не только сейчас активно пожирает материю (что и так видно на снимке ее тени), но и делает это уже миллиарды лет подряд без заметных пауз. Это очень резко отличает ее от поведения большинства черных дыр, которые «питаются» намного скромнее. Было бы неплохо понять, почему М87 такая особенная и что вообще определяет аппетит таких опасных объектов, как крупная черная дыра.


Модель сверхмассивной черной дыры M87

Но и это, пожалуй, далеко не самое важное в полученном результате. Дело в том, что черные дыры, по сути, ключевые действующие лица в окружающей нас Вселенной

Если взглянуть на почти все известные галактики, в центре каждой из них лежит сверхмассивная черная дыра (и в нашем Млечном Пути — тоже). И они там вовсе не для красоты: тяготение таких сверхмассивных объектов «собирает» вокруг себя ядро каждой галактики и в конечном счете саму галактику. Без черной дыры в центре материя не могла бы быстро собраться в достаточно плотные структуры. А значит, и образование звезд, и эволюция планетных систем шли бы куда медленнее.

Из этого легко понять, зачем нужно изучать черные дыры: чтобы понимать, как работает Вселенная вокруг нас, надо знать, как работает главный «сборочный механизм» в ее галактике.


Струя плазмы от сверхмассивной черной дыры в галактике М87, снимок в радиодиапазоне

Приведем простой пример. Черную дыру в центре галактики М87 удалось снять с высоким качеством потому, что эта дыра очень активно «глотает» вещество и перед приемом «пищи» сильно ее нагревает (трением частиц поглощаемого вещества друг о друга). Бублик этой материи от нагрева дает жесткое рентгеновское излучение, а вверх и вниз от черной дыры бьют струи горячей плазмы, разогнанной до десятков и сотен тысяч километров в секунду. Если бы эта иллюминация состоялась в нашей Галактике, то спецэффекты от нашей сверхмассивной черной дыры было бы видно на Земле и днем и ночью.


Струя плазмы от сверхмассивной черной дыры в галактике М87, снимок космчиеского телескопа «Хаббл»

Согласно ряду научных работ, два-три миллиона лет назад все так и было. И тогда наша планета могла получать солидное количество жесткого излучения из центра Галактики, где лежит «местная» галактическая черная дыра Стрелец А*. Что будет, если Стрелец А* перейдет от своего нынешнего «голодного» существования к активному пожиранию материи, как в Галактике М87? Не будет ли это угрожать земной жизни? Можно ли предсказать такое событие заранее и насколько оно опасно? Все это — вопросы, ответы на которые хорошо бы знать заранее, а не тогда, когда будет уже слишком поздно.

Рентгеновские лучи

Фото: НАСА

Первое наблюдательное свидетельство существования черной дыры появилось в 1971 году, и это тоже было получено из двойной звездной системы в нашей собственной Галактике. Система Лебедь X-1 — один из самых ярких источников рентгеновских лучей во Вселенной. Они исходят не от самой черной дыры и не от ее видимой звезды-компаньона. Вещество постоянно отделяется от гигантской звезды и втягивается в аккреционный диск вокруг черной дыры, и именно из этого аккреционного диска исходят рентгеновские лучи. Согласно последним расчетам, невидимый объект с массой в 21 солнечную сконцентрирован в таком маленьком пространстве, что это не может быть ничем иным, кроме как черной дырой.

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»:

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

Использование магнитных поля для питания

Черные дыры могут выглядеть как угодно.

По мнению астрономов, одним из основных факторов, определяющих массу черной дыры может быть ее магнитное поле. Исследуя галактику Лебедь А, расположенную в 600 миллионах световых лет от нас, ученые обнаружили в ее галактическом центре очень сильное магнитное поле.

Дальнейший анализ показал, что черная дыра Лебедь А очень активна. Ученые считают, что она является самым мощным внегалактическим источником радиоизлучения в своем созвездии, которое создается в результате поглощения дырой окружающей ее материи. И в этом деле, говорят исследователи, активное участие принимает ее магнитное поле, которое притягивает материю к тору черной дыры, а затем и в самые ее недра.

По мнению астрономов, разница между активными галактиками, такими, как Лебедь А и неактивными галактиками, такими, как наш Млечный Путь, заключается в наличии и отсутствии магнитного поля.

Где сингулярность?

Изнутри горизонта событий черной дыры, в каком направлении вы бы ни двигались, вы в конечном итоге сталкиваетесь с самой сингулярностью. Поэтому, как ни странно, сингулярность появляется во всех направлениях. Если ваши ноги указывают в направлении ускорения, вы увидите их перед собой, но также и над собой. Все это легко просчитывается, хоть и чрезвычайно нелогично. И это только для упрощенного случая: невращающейся черной дыры.

А теперь давайте перейдем к физически интересному случаю: когда черная дыра вращается. Черные дыры обязаны своим происхождением системам из вещества — вроде звезд — которые всегда вращаются на каком-то уровне. В нашей Вселенной (и в общей теории относительности) угловой момент представляет собой абсолютную заключенную величину для любой закрытой системы; нет никакого способа от него избавиться. Когда совокупность вещества коллапсирует до радиуса, который меньше радиуса горизонта событий, угловой момент оказывается заключенным внутри него, как и масса.

Сингулярность и горизонт событий.

Решение, которое мы имеем здесь, будет намного сложнее. Эйнштейн представил общую теорию относительности в 1915 году, а Карл Шварцшильд получил решение по невращающейся черной дыре пару месяцев спустя, в начале 1916 года. Но следующий шаг в моделировании этой проблемы более реалистичным способом — когда черная дыра обладает угловым моментов, а не только массой — был предпринят только в 1963 году, когда Рой Керр нашел точное решение в 1963 году.

Существует несколько фундаментальных и важных различий между более наивным и простым решением Шварцшильда и более реалистичным и сложным решением Керра. Среди них:

  • Вместо единого решения о том, где находится горизонт событий, у вращающейся черной дыры есть два математических решения: внутренний и внешний горизонт событий.
  • За пределами даже внешнего горизонта событий существует место, известное как эргосфера, в котором само пространства перемещается со скоростью вращения, равной скорости света, и частицы в нем испытывают огромные ускорения.
  • Существует максимальное допустимое отношение углового момента к массе; если импульс будет слишком сильным, черная дыра будет излучать эту энергию (посредством гравитационного излучения), пока он не упадет до предела.
  • И самое интересное: сингулярность в центре черной дыры — это уже не точка, а одномерное кольцо, радиус которого определяется массой и угловым моментом черной дыры.

Учитывая все это, что произойдет, когда вы попадете в черную дыру? Да то же самое, что произойдет, если вы попадете в невращающуюся черную дыру, за исключением того, что все пространство не ведет себя так, будто падает в направлении центральной сингулярность. Вместо этого, пространство также ведет себя так, будто перемещается вдоль направления вращения, как закручивающаяся воронка. Чем больше отношение углового момента к массе, тем быстрее она вращается.

Что можно увидеть в черной дыре

Это означает, если вы видите, как что-то падает в черную дыру, вы увидите, что оно становится более тусклым и красным, но также размазанным в кольцо или диск по направлению вращения. Если вы упадете в черную дыру, вас закрутит, как на карусели, которая притягивает вас к центру. И когда вы достигнете сингулярности, она будет кольцом; разные части вашего тела встретятся с сингулярностью — на внутренней эргоповерхности черной дыры Керра — в разных пространственных координатах. Вы постепенно перестанете видеть другие части вашего собственного тела.

Первая в мире фотография черной дыры.

Самое важное, что вы должны уяснить из этого всего — это то, что ткань самого пространства находится в движении, а горизонт событий определяется как место, в котором даже если вы будете двигаться на скорости света, какое бы направление вы ни выбрали, вы неизбежно столкнетесь с сингулярностью. Визуализации Эндрю Хэмилтона — это наилучшие и самые точные модели того, что происходит при падении в черную дыру, и настолько нелогичные, что их нужно просматривать снова и снова, пока не начнешь что-то понимать (на самом деле не начнешь)

Это жутко и красиво, и если вы достаточно авантюрны, чтобы когда-либо прилететь к черной дыре и пересечь горизонт событий, это будет последним, что вы когда-либо видели

Визуализации Эндрю Хэмилтона — это наилучшие и самые точные модели того, что происходит при падении в черную дыру, и настолько нелогичные, что их нужно просматривать снова и снова, пока не начнешь что-то понимать (на самом деле не начнешь). Это жутко и красиво, и если вы достаточно авантюрны, чтобы когда-либо прилететь к черной дыре и пересечь горизонт событий, это будет последним, что вы когда-либо видели.

Попробуете? Расскажите в нашем чате в Телеграме.