Попадание в чёрную дыру¶
Попадание в чёрную дыру — гипотетический сценарий, при котором материальное тело или излучение пересекают горизонт событий объекта с гравитационным полем, превышающим порог образования горизонта. Исход события определяется массой чёрной дыры, наблюдателем (свободное падение или наблюдение извне) и физической моделью, в которой рассматривается процесс.
¶Основные характеристики
Чёрная дыра — область пространства-времени, ограниченная горизонтом событий, из которой ничто, включая свет, не может вырваться. Радиус горизонта (радиус Шварцшильда) для нетящейся чёрной дыры определяется формулой:
R = 2GM/c²
где G — гравитационная постоянная, M — масса объекта, c — скорость света. Для чёрной дыры массой Солнца радиус горизонта составляет около 3 км, для сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути (около 4×10⁶ солнечных масс) — примерно 12 млн км.
¶Триггеринг (спагеттификация)
При приближении к чёрной дыре звёздной массы гравитационный прилив, возникающий из-за разницы притяжения между ближней и дальней стороной тела, нарастает стремительно. Этот процесс получил название спагеттификации (от англ. spaghetti — спагетти). Для чёрной дыры солнечной массы приливная сила разрушает объект задолго до пересечения горизонта событий: расчётные значения показывают, что разрушение происходит на расстояниях в сотни километров от горизонта.
Для сверхмассивных чёрных дыр ситуация иная: поскольку радиус горизонта велик, градиент гравитационного поля у него существенно меньше. Человек, падающий на сверхмассивную чёрную дыру (например, массой 10⁸ солнечных), теоретически может пересечь горизонт событий целым, не испытав разрушительных приливных сил. Разрушение наступит позже — уже внутри горизонта, при приближении к сингулярности.
¶Что видит внешний наблюдатель
С точки зрения удалённого наблюдателя, процесс падения тела в чёрную дыру выглядит иначе, чем для самого падающего. Согласно общей теории относительности (ОТО):
- Гравитационное замедление времени. Часы падающего объекта замедляются относительно часов наблюдателя. По мере приближения к горизонту событий замедление растёт.
- Красное смещение. Свет, испускаемый падающим телом, испытывает всё большее гравитационное красное смещение, становясь тусклее.
- Асимптотическое приближение. С точки зрения внешнего наблюдателя, тело никогда не пересекает горизонт событий — оно лишь асимптотически приближается к нему, становясь визуально «замороженным» на горизонте и постепенно исчезая из видимости.
Это следствие того, что сигналы, испущенные телом вблизи горизонта, испытывают сильное гравитационное замедление и бесконечно растягиваются по времени, пока не станут принципиально нерегистрируемыми.
¶Что испытывает сам падающий
Для наблюдателя, свободно падающего в чёрную дыру, локальные условия в его собственной системе отсчёта остаются нормальными — это следствие принципа эквивалентности. В собственной системе отсчёта падающего он пересекает горизонт событий за конечное собственное время, не ощущая ничего особенного в момент пересечения (для сверхмассивной чёрной дыры).
После пересечения горизонта событий пространство и время меняют роли: движение вглубь чёрной дыры становится неизбежным, подобно тому, как в обычном пространстве движение в будущее неизбежно. Сингулярность — точка бесконечной плотности в центре — становится неизбежным «будущим» для любого объекта внутри горизонта.
¶Гипотетические модели
Вопрос о том, что происходит с информацией, попавшей в чёрную дыру, остаётся одним из открытых в теоретической физике. Стандартная ОТО предсказывает образование сингулярности и полное уничтожение информации, что противоречит квантовой механике, сохраняющей информацию. Это противоречие известно как парадокс информации в чёрной дыре.
Современные гипотезы включают:
- Информационный остаток — информация сохраняется в виде излучения Хокинга (теория Хокинга, 1974) и постепенно покидает чёрную дыру.
- Файрвол (firewall) — гипотетический барьер на горизонте событий, разрушающий падающие объекты (предложен в 2012 году в контексте парадокса AMPS).
- Зеркальная чёрная дыра — предположение о том, что горизонт событий может отражать информацию.
Ни одна из этих гипотез не подтверждена экспериментально.
¶Наблюдения
Прямых наблюдений процесса падания в чёрную дыру не существует. Космический телескоп «Интерферометр» (Event Horizon Telescope, EHT) получил изображения теней сверхмассивных чёрных дыр M87 (2019) и Sgr A (2022), что подтвердило существование горизонтов событий, но не позволило наблюдать процессы падения материи вглубь.
В 2020 году с помощью рентгеновского телескопа NICER были зафиксированы наблюдения за горячим газом, вращающимся у горизонта чёрной дыры в двойной системе Cygnus X-1, что согласуется с предсказаниями ОТО о поведении материи вблизи горизонта.
¶Интересные факты
- Если бы человек попал в чёрную дыру сверхмассивной массы, время от пересечения горизонта до достижения сингулярности составило бы от нескольких секунд до часов — в зависимости от массы.
- В 1994 году физик Кип Торн и его коллеги рассчитали, что для чёрной дыры массой в 1000 солнечных разрушение тела человека происходит на расстоянии около 300 км от горизонта.
- В 2017 году в журнале Scientific Reports были опубликованы расчёты, показывающие, что при падении в чёрную дыру сверхмассивной массы человек может пересечь горизонт событий без разрушения.
¶Источники
- Стивен Хокинг, «Краткая история времени», 1988
- Кип Торн, «Чёрные дыры и временные петли», 1994
- Event Horizon Telescope Collaboration, Astrophysical Journal Letters, 2019
- Bardeen J. M., Press W. H., Teukolsky S. A., Astrophysical Journal, 1972
- Almheiri A., Marolf D., Polchinski J., Sully J., Journal of High Energy Physics, 2013