Как выглядит падение в черную дыру. Что произойдет, если вы попадете в черную дыру? Теория черных дыр

Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.

Из истории чёрных дыр

1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.

1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.

(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")

1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".

1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".

2013 г. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даёт огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.

(Массивный объект Стрелец А*, его масса больше Солнца в 4 млн раз, где подразумевается скопление звезд и образование чёрной дыры )

2017 г . Группа ученых из коллоборации нескольких стран Event Horizon Telescope, связав восемь телескопов с разных точек континентов Земли, проводили наблюдения за чёрной дырой, которая является сверхмассивным объектом и находится в галактике М87, созвездие Дева. Масса объекта 6,5 млрд (!) солнечных масс, в гигантские разы больше массивного объекта Стрелец А*, для сравнения диаметром чуть менее расстояния от Солнца до Плутона.

Наблюдения проводились в несколько этапов, начиная с весны 2017 года и в течении периодов 2018 года. Объём информации исчислялся петабайтами, которые затем следовало расшифровать и получить подлинный снимок сверхдалекого объекта. Поэтому потребовалось ещё целых два года для досканальной обработки всех данных и соединения их в одно целое.

2019 г. Данные были успешно расшифрованы и приведены в вид, получив первое в истории изображение чёрной дыры.

(Первый в истории снимок чёрной дыры в галактики М87 в созвездии Дева )

Разрешение изображения позволяет увидеть тень точки невозврата в центре объекта. Изображение получено в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Это, так называемые, синхронные наблюдения одного объекта с нескольких радиотелескопов, соединенных между собой сетью и находящихся в разных частях земного шара, направленных в одну сторону.

Чем на самом деле являются чёрные дыры

Лаконичное объяснение феномена звучит так.

Чёрная дыра — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.

Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.

• 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости


• 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру


• 3. Чёрная дыра


• 4. Детальная схема региона чёрной дыры


• 5. Размер найденных новых наблюдений

Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.

Радиус Шварцшильда

Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.

• 1. Движущаяся материя в половину скорости света


• 2. Фотонное кольцо


• 3. Внутреннее фотонное кольцо


• 4. Горизонт событий в чёрной дыре

Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.

Как происходит падение в чёрную дыру

(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)

Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.

По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.

• 1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.


• 2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.


• 3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.


• 4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.


• 5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.

Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако

(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)

Что там внутри чёрной дыры

Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.

Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.

И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.

Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.

Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.

В естественных условиях большинство черных дыр должны вращаться. Это значит, что у черной дыры есть две поверхности, одна внутри другой. Внешняя – это так называемая эргосфера. И вот если туда попасть, но не пересечь горизонт событий, то можно вылететь из черной дыры. Самое интересное происходит, если попасть под горизонт черной дыры. Попав туда, вылететь не получится уже ни при каких условиях - что бы вы ни предпринимали. Избежать падения в центр черной дыры после пересечения горизонта - это то же самое, что избежать следующего понедельника.

Что происходит при приближении к черной дыре и пересечении эргосферы или горизонта, зависит от ее размера. Если черная дыра очень большая, то есть массивная (например, у дыры массой 100 000 000 масс солнца размер будет в два раза больше земной орбиты – где-то 300 000 000 км), и вы пересекаете либо ее эргосферу либо горизонт событий, то ничего страшного с вами не происходит. Дело в том, что когда вы свободно падаете, вы чувствуете гравитацию только через приливные силы. Это разница между тем, как притягиваются к гравитирующему центру ваши ноги и голова. Через разницу этих сил вы и чувствуете гравитацию в свободном падении. Если эта разница небольшая, то вы особо ничего и не чувствуете. Для черных дыр большого размера эта разница совершенно ничтожна. Поэтому пересекая или эргосферу, или горизонт такой дыры, вы не почувствуете никаких разрушительных сил.

Если же черная дыра маленькая (например, если бы солнце могло превратиться в черную дыру, то ее радиус был бы порядка 3 км), то, скорее всего, приливные силы будут огромными, и они разорвут человека на части. Но вас и за пару километров до пересечения горизонта, на подлете, могут порвать приливные силы. С точки зрения гравитационных сил важно здесь то, на каком расстоянии вы находитесь от сингулярности (центр черной дыры – место средоточия

всей ее массы под горизонтом), а не то, на каком расстоянии вы находитесь от горизонта или эргосферы. При приближении именно к сингулярности вы и начинаете ощущать эти приливные силы.

Все эти выводы можно сделать изучая свойства черных дыр в рамках общей теории относительности. Она применима только, если приливные силы не очень большие. Когда приливные силы становятся очень большими (значительно больше тех, которые разрывают человека на части) мы уже не знаем, что происходит. Мы не знаем что происходит при сверхвысоких плотностях, которые возникают в окрестности сингулярности. Мы знаем только то, что сингулярностей не бывает в природе. Что же будет вместо сингулярности – в самом центре черной дыры – нам не известно.

Падение в черную дыру

Рассмотрим падение тела на черную дыру.

Представьте, что звезда начала катастрофически сжиматься. Произошел, как говорят астрофизики, гравитационный коллапс, и тело (допустим Вы) начало падать к центру звезды вместе с ее веществом. Все кругом падает вместе с телом (Вами). Вам просто не за что зацепиться взглядом, падает ведь все вещество звезды! И получается, что Вы совершенно неподвижны относительно тех частиц вещества, которые летят поблизости от Вас, и с которыми Вы можете сравнивать показания своих часов и длины своих линеек. Вы неподвижны друг относительно друга даже в момент пересечения сферы Швацшильда. Для Вас при пересечении этой страшной поверхности ничего не произойдет! Вы будете ускорять свое падение и за доли секунды (по Вашим часам) окажетесь в центре звезды вместе со всем ее веществом, которое свалится Вам на голову (хотя о какой голове может быть речь, если плотность в центре звезды становится бесконечно большой).

Теперь посмотрим на Ваше падение со стороны.

Сторонний наблюдатель видит, как звезда вдруг начинает уменьшаться в размерах. За полчаса она сжимается (падает) от размеров Солнца до радиуса нейтронной звезды. Сжатие продолжается, и тут начинаются странности. Вместо того, чтобы ускоряться (сила тяжести-то растет), падение замедляется! Да, с приближением к сфере Швацшильда сила тяжести устремляется к бесконечности. Но ведь и время начинает течь бесконечно медленно! Если падающая частица сигнализирует о своем движении, ежесекундно испуская по фотону (по часам частицы), то сторонний наблюдатель улавливает эти фотоны 1 раз в сек, затем 1 раз в 2 сек и т.д.. При этом энергия фотонов, преодолевших поле тяготения, становится все меньше и меньше, пойманные фотоны оказываются все "краснее". Те фотоны, которые частица излучит вблизи самой сферы Шварцшильда, дойдут до стороннего наблюдателя с интервалом в тысячи и миллионы лет. А последний фотон будет иметь бесконечно малую энергию и дойдет до стороннего наблюдателя за бесконечно большое время. Другими словами этот фотон никогда не буден замечен сторонним наблюдателем. Получается, что для наблюдателя извне звезда как бы застыла. Все процессы становятся медленнее, пока не застывают окончательно. Сторонний наблюдатель увидит, что звезда как бы застыла. Впрочем, вряд ли можно будет что-либо наблюдать на месте звезды со стороны, т.к. красное смещение станет настолько большим, что видимые волны сместятся в радиодиапазон. Сторонний наблюдатель увидит, что звезда погасла.

В сущности, черные дыры, как принято их называть, это сколлапсировавшиеся звезды, вернее растянутый до бесконечности процесс сжатия звезды.

Представим себе, как должно выглядеть падение в шварцшильдовскую чёрную дыру. Тело, свободно падающее под действием сил гравитации, находится в состоянии невесомости. Падающее тело будет испытывать действие приливных сил, растягивающих тело в радиальном направлении и сжимающих -- в тангенциальном. Величина этих сил растёт и стремится к бесконечности при. В некоторый момент собственного времени тело пересечёт горизонт событий. С точки зрения наблюдателя, падающего вместе с телом, этот момент ничем не выделен, однако возврата теперь нет. Тело оказывается в горловине (её радиус в точке, где находится тело и есть), сжимающейся столь быстро, что улететь из неё до момента окончательного схлопывания (это и есть сингулярность) уже нельзя, даже двигаясь со скоростью света.

Рассмотрим теперь процесс падения тела в чёрную дыру с точки зрения удалённого наблюдателя. Пусть, например, тело будет светящимся и, кроме того, будет посылать сигналы назад с определённой частотой. Вначале удалённый наблюдатель будет видеть, что тело, находясь в процессе свободного падения, постепенно разгоняется под действием сил тяжести по направлению к центру. Цвет тела не изменяется, частота детектируемых сигналов практически постоянна. Однако, когда тело начнёт приближаться к горизонту событий, фотоны, идущие от тела, будут испытывать всё большее и большее гравитационное красное смещение. Кроме того, из-за гравитационного поля все физические процессы с точки зрения удалённого наблюдателя будут идти всё медленнее и медленнее гравитационного замедления времени): часы, закреплённые на радиальной координате r без вращения будут идти медленнее бесконечно удалённых в раз.

Будет казаться, что тело -- в чрезвычайно сплющенном виде -- будет замедляться, приближаясь к горизонту событий и, в конце концов, практически остановится. Частота сигнала будет резко падать. Длина волны испускаемого телом света будет стремительно расти, так что свет быстро превратится в радиоволны и далее в низкочастотные электромагнитные колебания, зафиксировать которые уже будет невозможно. Пересечения телом горизонта событий наблюдатель не увидит никогда и в этом смысле падение в чёрную дыру будет длиться бесконечно долго. Есть, однако, момент, начиная с которого повлиять на падающее тело удалённый наблюдатель уже не сможет. Луч света, посланный вслед этому телу, его либо вообще никогда не догонит, либо догонит уже за горизонтом. Кроме того, расстояние между телом и горизонтом событий, а также "толщина" сплющенного (с точки зрения стороннего наблюдателя) тела довольно быстро достигнут планковской длины и (с математической точки зрения) будут уменьшаться и далее. Для реального физического наблюдателя (ведущего измерения с планковской погрешностью) это равносильно тому, что масса чёрной дыры увеличится на массу падающего тела, а значит радиус горизонта событий возрастёт и падающее тело окажется "внутри" горизонта событий за конечное время. Аналогично будет выглядеть для удалённого наблюдателя и процесс гравитационного коллапса. Вначале вещество ринется к центру, но вблизи горизонта событий оно станет резко замедляться, его излучение уйдёт в радиодиапазон, и в результате удалённый наблюдатель увидит, что звезда погасла.

Это может случиться с каждым. Может быть вы летаете в открытом космосе и пытаетесь найти новую планету, пригодную для жизни человечества. Или же вы просто отправляетесь на прогулку и внезапно поскальзываетесь. Вне зависимости от обстоятельств, у вас в голове может появиться извечный вопрос, который терзает умы многих - что произойдет, если вы упадете в черную дыру?

Парадокс черной дыры

Вы можете предположить, что вас раздавит или разорвет на мельчайшие кусочки. Однако реальность выглядит гораздо более странно. В тот момент, когда вы попадете в черную дыру, реальность разделится надвое. В одной реальности вы будете тут же сожжены дотла, но в другой начнете погружаться в черную дыру без каких-либо повреждений.

Что такое черная дыра?

Черная дыра - это место, где законы физики (такие, какими люди их знают) перестают работать. Эйнштейн учил, что гравитация искривляет пространство, заставляя его закручиваться. Так что если взять достаточно плотный объект, пространственно-временной континуум может стать настолько искривленным, что он закрутит сам себя, создав дыру в самой ткани реальности.

Как рождается черная дыра?

Большая звезда, у которой закончилась энергия для работы, может предложить ту самую невероятную плотность, необходимую для того, чтобы так сильно деформировать участок вселенной. По мере того как эта звезда прогибается под тяжестью собственного веса и рушится внутри себя, пространственно-временной континуум следует за ней. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет не может проникнуть сквозь него, делая участок, где это происходит, абсолютно темным, то есть создавая черную дыру.

Горизонт событий

Самой дальней границей черной дыры является «горизонт событий», то есть то место, где гравитационная сила спадает до такого уровня, что свету вот-вот удастся проникнуть сквозь гравитационное поле. Переступите эту черту - и выхода уже не будет. Горизонт событий буквально сияет энергией. Квантовые эффекты, которые наблюдаются на границе черной дыры, создают потоки раскаленных частиц, излучаемых обратно во Вселенную из черной дыры. Этот феномен называется излучением Хокинга - в честь ученого Стивена Хокинга, который предсказал этот эффект. Если дать черной дыре достаточно времени, то излучения выдадут обратно в космос всю ее массу, и она исчерпает себя и исчезнет.

Искривление пространства и сингулярность

По мере того как вы будете продвигаться внутрь черной дыры, пространство будет все более и более искривляться, пока, наконец, вы не достигнете центра черной дыры, где пространство является бесконечно искривленным. Это называется сингулярностью. Пространство и время перестают существовать, как и законы физики, которые для реализации требуют наличия тех самых пространства и времени. Никто не знает, что образуется дальше. Другая Вселенная? Забвение? Задняя часть книжного шкафа? Это загадка.

Ваш компаньон

Так что же случится, если вы случайно упадете в одну их этих космических аберраций? Давайте спросим у вашего космического компаньона - пусть ее будут звать Анна. Она в ужасе смотрит на то, как вы падаете в черную дыру, пока сама она находится на безопасном расстоянии от нее. И с ее точки зрения, все происходящее выглядит крайне странно.

Точка зрения Анны

По мере того как вы приближаетесь к горизонту событий, Анна видит, как ваше тело растягивается и искажается - словно она смотрит на вас сквозь гигантское увеличительное стекло. Более того, чем ближе вы оказываетесь к горизонту событий, тем больше происходящее напоминает замедленный режим съемки. Когда вы достигаете горизонта событий, Анна видит, как вы замираете на месте, не перемещаяь даже на миллиметр. Вы остаетесь на одном месте, по мере того как растущий жар начинает действовать на вас. По словам Анны, вас медленно стирает растяжение пространства, остановка времени и жар излучения Хокинга - пока от вас не остается только лишь пепел.

Ваша точка зрения

Но прежде чем готовиться к похоронам, вам стоит на секунду забыть об Анне и посмотреть на все происходящее с вашей точки зрения. И здесь случается что-то еще более невероятное - ничего. Дело в том, что если смотреть на ситуацию вашими глазами, то вы спокойно пролетаете горизонт событий, направляясь в абсолютную черноту, не получая при этом никаких повреждений. Конечно, если бы черная дыра была меньше по размерам, то вас искривило бы, как и все остальное пространство, но если черная дыра достаточно большая, то эти силы вполне могут быть игнорированы, и вы можете довольно долго прожить, пока не доберетесь до сингулярности.

Разрыв реальности

Но в чем же дело? Почему Анна увидела, что вы сгорели, в то время как вы спокойно путешествуете по черной дыре? Неужели она сошла с ума и галлюцинирует? На самом деле, все гораздо проще - дело в законах физики. С одной стороны, квантовая физика требует того, чтобы информация никогда не была потеряна, так что вы не можете покинуть Вселенную и попасть в черную дыру - вы сгораете на месте под воздействием излучения Хокинга. С другой стороны, вы должны проследовать через горизонт событий, не подвергаясь воздействию излучения, иначе была бы нарушена общая теория относительности Эйнштейна. Именно тут и происходит разрыв реальности.