Черные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Объекты настолько плотные, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может выйти из нее. Было идентифицировано много физических черных дыр, от звездных по массе в нашей собственной галактике до сверхмассивных в центрах большинства галактик, во многие миллионы или даже миллиарды раз превышающих 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.
В центре нашей собственной галактики мы смогли наблюдать за движением звезд вокруг центральной точечной массы с массой около 4 миллионов солнечных масс, которая вообще не излучает света. 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 два полных 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, почему, перелетев через этот невидимый барьер, вы уже 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 дело касается черных дыр. 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 .
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 в вашем отдаленном 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 прозвище «черные дыры»).
Эта сферическая область, известная как горизонт событий , является не физическим объектом, а скорее областью пространства — определенного размера — из которой не может выйти свет. Как и следовало ожидать, с очень большого расстояния он кажется таким, каким он есть на самом деле. Другими словами, когда вы приближаетесь к черной дыре, она буквально выглядит как дыра полной черноты, вырисовывающаяся на фоне космоса, а свет от окружающей среды сильно искажается.
Для черной дыры массы 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 — такой, как та , что находится в центре нашей галактики — это будет больше похоже на размер планетарной орбиты или красной гигантской звезды, такой как Бетельгейзе !
Черная дыра – окончательная визуализация приближения
Итак, теперь вы готовы увидеть окончательную визуализацию: что происходит, когда вы приближаетесь и в конечном итоге входите в черную дыру?
С большого расстояния 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.
В отличие от всех других объектов, к которым вы привыкли, где они визуально увеличиваются пропорционально вашему удалению от них, эта черная дыра, кажется, растет намного быстрее, чем вы ожидали, благодаря невероятной кривизне пространства. .
С нашей точки зрения на Земле 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 более чем в четыре раза больше! Причина, конечно же, в том, что пространство-время искривляется все более и более сильно по мере того, как вы приближаетесь к черной дыре, и поэтому «линии света», которые вы можете видеть от окружающих вас звезд во Вселенной, катастрофически искривляются. формы.
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 этому в неискривленном пространстве, который кажется размером с ваш кулак, вытянутый на расстоянии вытянутой руки.
По мере того, как вы начинаете приближаться к ISCO — или самой внутренней устойчивой 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.
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.
А потом… чернота. Ничего. 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, в этом направлении есть гравитационный градиент.
Эта трактовка предполагает, что ни впереди, ни позади вас в черную дыру не падает ни материя, ни свет. Видео ниже показывает, что происходит, если вы позволяете свету из внешней Вселенной падать в черную дыру вокруг вас, что он и делает в реальной жизни. Вы пересечете горизонт событий примерно на отметке 0:37 на видео.
Что удивительно, так это то, что даже если бы вас не забрасывало падающим светом, который догоняет вас сзади — что составляет «половину» видимой Вселенной, которой все еще есть что вам показать — вы все равно могли бы взять на борт гравитационные датчики. . Как только вы пересекли горизонт событий, независимо от того, есть там свет или нет, вы обнаружите что-то шокирующее.
Ваши датчики говорят вам, что есть гравитационный градиент, который 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?
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; ты 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 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!
Что еще хуже, так это то, что любое ускорение, которое вы совершаете, предполагая, что вы свободно упали из состояния покоя (другие предположения немного отличаются), приблизит вас к сингулярности с еще большей скоростью! Способ максимизировать время вашего выживания в этот момент — и это не очень долго, несмотря ни на что — это даже не пытаться сбежать! Сингулярность присутствует во всех направлениях, и куда бы вы ни посмотрели, отсюда все идет вниз.
И это то, что вы увидите, используя свои глаза, а также гравитационные, когда вы попадете в самый гравитационно-компактный объект во всем существовании. На этот раз Борг из «Звездного пути» был прав. Когда вы падаете в черную дыру, сопротивление действительно бесполезно.
0 Комментариев