Space

На що схоже падіння в чорну діру? Що ви побачите?

Всесвіт по-різному знищує що-небудь. Якщо ви спробуєте затримати дихання в космосі, ваші легені вибухнуть; якщо замість цього ви вдихнете кожну молекулу повітря, ви втратите свідомість. У деяких місцях ви замерзнете, втративши останнього тепла свого тіла; в інших буде настільки спекотно, що атоми вашого тіла перетворяться в плазму. Але з усіх способів, якими Всесвіт позбавляється від об'єктів, найцікавіший - відправити його в чорну діру.

Що знаходиться за горизонтом подій?

Згідно з нашою теорії гравітації - загальній теорії відносності Ейнштейна - властивості чорної діри визначаються трьома речами. А саме:

  • маса, Або загальна кількість речовини і еквівалентну кількість енергії (за формулою E = mc2), які йдуть на формування і зростання чорної діри до її поточного стану.
  • заряд, Або загальний електричний заряд, який існує в чорній дірі від всіх позитивно і негативно заряджених об'єктів, які потрапили в чорну діру за всю історію її життя.
  • Кутовий імпульс (момент), Або спин, який є мірою загальної кількості обертального руху, яке чорна діра має за своєю природою.
  • У реальності, все чорні діри, які фізичноіснують в нашому Всесвіті, повинні мати великі маси, значна кількість кутових моментів і незначні заряди. Це надзвичайно ускладнює ситуацію.

    Коли ми зазвичай уявляємо чорну діру, миуявляємо простий її варіант, який описується тільки її масою. У нього є горизонт подій, навколишній одну точку, і область, навколишнє цю точку, за межі якої світ не може вийти. Ця область абсолютно сферична і має кордон, що розділяє області, з якої світ може вирватися і з якої не може: горизонт подій. Горизонт подій знаходиться на певній відстані (радіус Шварцшильда) від сингулярності у всіх напрямках одночасно.

    Це спрощена версія реалістичною чорної діри, але прекрасне місце, з якого можна почати міркувати про фізику, яка відбувається в двох різних місцях: за горизонтом подій і всередині горизонту подій.

    За межами горизонту подій гравітація ведесебе так, як ви зазвичай очікуєте. Простір викривляється в присутності маси, що змушує кожен об'єкт у Всесвіті відчувати прискорення в напрямку центральної сингулярності. Якби ви опинилися на великій відстані від чорної діри в стані спокою і дозволили предмету впасти в неї, що б ви побачили?

    Якщо припустити, що вам вдалося зберегтинерухомість, ви побачите, як падаючий об'єкт повільно прискорюється від вас до цієї чорної діри. Він прискориться до горизонту подій, після чого відбудеться щось дивне. Вам здасться, що він сповільнюється, загасає і стає червоно. Але він не зникне повністю. Він лише наблизиться до цього: чи стане тьмяним, червоним і складніше обнаружіми. Ви завжди зможете його побачити, якщо будете дивитися досить пильно.

    Тепер уявімо той же сценарій, але в цей раз представимо, що ви і є той самий падаючий в чорну діру об'єкт. Досвід того, що відбувається буде зовсім іншим.

    Горизонт подій буде стає більше набагатошвидше, ніж ви очікували, оскільки викривлення простору буде сильнішає. Навколо горизонту подій простір настільки викривлений, що ви побачите безліч зображень всесвіту, яка знаходиться ззовні, немов її відбили і перевернули.

    І як тільки ви перетнете горизонт подій, вине тільки все ще зможете бачити зовнішню всесвіту, а й частина всесвіту всередині горизонту подій. В останні моменти простір буде виглядати зовсім плоским.

    Що знаходиться в чорній дірі?

    Фізика всього цього складна, але обчислення доситьпрості і елегантніше всього виконані Ендрю Хемілтоном з Університету Колорадо в серії робіт кінця 2000-х - початку 2010-х років. Хемілтон також створив серію вражаючих візуалізацій того, що ви побачите, впавши в чорну діру, грунтуючись на цих розрахунках.

    Вивчивши ці результати, ми можемо витягти рядвисновків, багато з яких нелогічні. Щоб спробувати їх осмислити, потрібно змінити спосіб представлення простору. Зазвичай ми думаємо про нього як про нерухому тканини і вважаємо, що спостерігач кудись «спускається». Але всередині горизонту подій ви завжди в русі. Простір рухається - як бігова доріжка - безперервно, переміщаючи все в собі до сингулярності.

    І воно переміщує все так швидко, що навіть якщо виприскоритеся прямо від сингулярності з нескінченною силою, ви все одно впадете до центру. Об'єкти, що знаходяться за межами горизонту подій, все так же будуть посилати вам світло з усіх боків, але ви зможете побачити лише частину об'єктів з-за обрію подій.

    Лінія, яка визначає межу між тим, щоможе побачити будь-який спостерігач, математично описується кардіоїд, де компонент з найбільшим радіусом стосується горизонту подій, а компонент найменшого радіуса виявляється в сингулярності. Це означає, що сингулярність, навіть будучи точкою, не обов'язково пов'язує все, що в неї потрапляє, з усім іншим. Якщо ви і я впадемо в горизонт подій з різних боків одночасно, ми ніколи не побачимо світло один одного після того, як відбудеться перетин горизонту подій.

    Причиною цього є постійно рухаєтьсятканину самого Всесвіту. Усередині горизонту подій простір рухається швидше за світло, тому ніщо не може вирватися з чорної діри. Ось чому, потрапивши в чорну діру, ви починаєте бачити дивні речі на зразок декількох зображень одного і того ж об'єкта.

    Можна зрозуміти це, поставивши запитання: де сингулярність?

    Зсередини горизонту подій чорної діри, в якомунапрямку ви б не рухалися, ви в кінцевому підсумку стикаєтеся з самої сингулярностью. Тому, як не дивно, сингулярність з'являється у всіх напрямках. Якщо ваші ноги вказують в напрямку прискорення, ви побачите їх перед собою, але також і над собою. Все це легко прораховується, хоч і надзвичайно нелогічно. І це тільки для спрощеного випадку: невращающейся чорної діри.

    А тепер давайте перейдемо до фізично цікавогонагоди: коли чорна діра обертається. Чорні діри зобов'язані своїм походженням системам з речовини - на зразок зірок - які завжди обертаються на якомусь рівні. У нашого Всесвіту (і в загальній теорії відносності) кутовий момент є абсолютною укладену величину для будь-якої закритої системи; немає ніякого способу його позбутися. Коли сукупність речовини коллапсирует до радіуса, який менше радіуса горизонту подій, кутовий момент виявляється закритим усередині нього, як і маса.

    Рішення, яке ми маємо тут, буде набагатоскладніше. Ейнштейн представив загальну теорію відносності в 1915 році, а Карл Шварцшильда отримав рішення по невращающейся чорній дірі пару місяців по тому, на початку 1916 року. Але наступний крок в моделюванні цієї проблеми більш реалістичним способом - коли чорна діра має кутовим моментів, а не тільки масою - був зроблений тільки в 1963 році, коли Рой Керр знайшов точне рішення в 1963 році.

    Існує кілька фундаментальних і важливих відмінностей між більш наївним і простим рішенням Шварцшильда і більш реалістичним і складним рішенням Керра. Серед них:

    • Замість єдиного рішення про те, де знаходиться горизонт подій, у що обертається чорної діри є два математичних рішення: внутрішній і зовнішній горизонт подій.
    • За межами навіть зовнішнього горизонту подійіснує місце, відоме як ергосфера, в якому саме простору переміщається зі швидкістю обертання, яка дорівнює швидкості світла, і частки в ньому відчувають величезні прискорення.
    • Існує максимальне допустиме відношеннякутового моменту до маси; якщо імпульс буде занадто сильним, чорна діра буде випромінювати цю енергію (за допомогою гравітаційного випромінювання), поки він не впаде до межі.
    • І найцікавіше: сингулярність в центрі чорної діри - це вже не крапка, а одномірний кільце, радіус якого визначається масою і кутовим моментом чорної діри.

    </ P>

    З огляду на все це, що станеться, коли випотрапите в чорну діру? Так то ж саме, що станеться, якщо ви потрапите в невращающейся чорну діру, за винятком того, що весь простір не поводиться так, ніби падає в напрямку центральної сингулярність. Замість цього, простір також поводиться так, ніби переміщається вздовж напрямку обертання, як закручується воронка. Чим більше відношення кутового моменту до маси, тим швидше вона обертається.

    Це означає, якщо ви бачите, як щось падає вчорну діру, ви побачите, що воно стає більш тьмяним і червоним, але також розмазаним в кільце або диск у напрямку обертання. Якщо ви впадете в чорну діру, вас закрутить, як на каруселі, яка притягує вас до центру. І коли ви досягнете сингулярності, вона буде кільцем; різні частини вашого тіла зустрінуться з сингулярностью - на внутрішній ергоповерхності чорної діри Керра - в різних вимірах. Ви поступово перестанете бачити інші частини вашого власного тіла.

    Найважливіше, що ви повинні усвідомити з цьоговсього - це те, що тканина самого простору знаходиться в русі, а горизонт подій визначається як місце, в якому навіть якщо ви будете рухатися на швидкості світла, який би напрямок ви не вибрали, ви неминуче зіткнетеся з сингулярностью.

    Візуалізації Ендрю Хемілтона - це найкращі інайточніші моделі того, що відбувається при падінні в чорну діру, і настільки нелогічні, що їх потрібно переглядати знову і знову, поки не почнеш щось розуміти (насправді не почнеш). Це страшно і красиво, і якщо ви досить авантюрні, щоб коли-небудь прилетіти до чорної діри і перетнути горизонт подій, це буде останнім, що ви коли-небудь бачили.

    Спробуєте? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.