На что похоже падение в чёрную дыру?

Вселенная по-разному уничтожает что-либо. Если вы попытаетесь задержать дыхание в космосе, ваши лёгкие взорвутся; если вместо этого вы вдохнёте каждую молекулу воздуха, вы потеряете сознание. В некоторых местах вы замёрзнете, лишившись последнего тепла своего тела; в других будет настолько жарко, что атомы вашего тела превратятся в плазму. Но из всех способов, которыми Вселенная избавляется от объектов, самый увлекательный — отправить его в чёрную дыру.
Что находится за горизонтом событий?
Согласно нашей теории гравитации — общей теории относительности Эйнштейна — свойства чёрной дыры определяются тремя вещами. А именно:
Масса, или общее количество вещества и эквивалентное количество энергии (по формуле E = mc²), которые идут на формирование и рост чёрной дыры до её текущего состояния.
Заряд, или общий электрический заряд, который существует в чёрной дыре от всех положительно и отрицательно заряженных объектов, которые попали в чёрную дыру за всю историю её жизни.
Угловой импульс (момент), или спин, который является мерой общего количества вращательного движения, которое чёрная дыра имеет по своей природе.
В реальности, все чёрные дыры, которые физически существуют в нашей Вселенной, должны иметь большие массы, значительное количество угловых моментов и незначительные заряды. Это чрезвычайно усложняет ситуацию.
Когда мы обычно представляем чёрную дыру, мы воображаем простой её вариант, который описывается только её массой. У него есть горизонт событий, окружающий одну точку, и область, окружающая эту точку, за пределы которой свет не может выйти. Эта область совершенно сферическая и имеет границу, разделяющую области, из которой свет может вырваться и из которой не может: горизонт событий. Горизонт событий находится на определённом расстоянии (радиус Шварцшильда) от сингулярности во всех направлениях одновременно.
Это упрощенная версия реалистичной чёрной дыры, но прекрасное место, с которого можно начать размышлять о физике, происходящей в двух разных местах: за горизонтом событий и внутри горизонта событий.
За пределами горизонта событий гравитация ведёт себя так, как вы обычно ожидаете. Пространство искривляется в присутствии массы, что заставляет каждый объект во Вселенной испытывать ускорение в направлении центральной сингулярности. Если бы вы оказались на большом расстоянии от чёрной дыры в состоянии покоя и позволили предмету упасть в неё, что бы вы увидели?
Если предположить, что вам удалось сохранить неподвижность, вы увидите, как падающий объект медленно ускоряется от вас к этой чёрной дыре. Он ускорится к горизонту событий, после чего произойдёт нечто странное. Вам покажется, что он замедляется, затухает и становится краснее. Но он не исчезнет полностью. Он лишь приблизится к этому: станет тусклым, красным и сложнее обнаружимым. Вы всегда сможете его увидеть, если будете смотреть достаточно пристально.
Теперь вообразим тот же сценарий, но в этот раз представим, что вы и есть тот самый падающий в чёрную дыру объект. Опыт происходящего будет совершенно другим.
Горизонт событий будет становится больше гораздо быстрее, чем вы ожидали, поскольку искривление пространства будет становится сильнее. Вокруг горизонта событий пространство настолько искривлено, что вы увидите множество изображений вселенной, которая находится извне, словно её отразили и перевернули.
И как только вы пересечёте горизонт событий, вы не только всё ещё сможете видеть внешнюю вселенной, но и часть вселенной внутри горизонта событий. В последние моменты пространство будет выглядеть совершенно плоским.
Что находится в чёрной дыре?
Физика всего этого сложна, но вычисления довольно просты и элегантнее всего выполнены Эндрю Хэмилтоном из Университета Колорадо в серии работ конца 2000-х — начала 2010-х годов. Хэмилтон также создал серию впечатляющих визуализаций того, что вы увидите, упав в чёрную дыру, основываясь на этих расчётах.
Изучив эти результаты, мы можем извлечь ряд выводов, многие из которых нелогичны. Чтобы попытаться их осмыслить, нужно изменить способ представления пространства. Обычно мы думаем о нём как о неподвижной ткани и считаем, что наблюдатель куда-то «спускается». Но внутри горизонта событий вы всегда в движении. Пространство движется — как беговая дорожка — непрерывно, перемещая всё в себе к сингулярности.
И оно перемещает всё так быстро, что даже если вы ускоритесь прямо от сингулярности с бесконечной силой, вы всё равно упадёте к центру. Объекты, находящиеся за пределами горизонта событий, всё так же будут посылать вам свет со всех сторон, но вы сможете увидеть лишь часть объектов из-за горизонта событий.
Линия, которая определяет границу между тем, что может увидеть любой наблюдатель, математически описывается кардиоидой, где компонент с наибольшим радиусом касается горизонта событий, а компонент наименьшего радиуса оказывается в сингулярности. Это значит, что сингулярность, даже будучи точкой, не обязательно связывает всё, что в неё попадает, со всем остальным. Если вы и я упадём в горизонт событий с разных сторон одновременно, мы никогда не увидим свет друг друга после того, как произойдёт пересечение горизонта событий.
Причиной этого является постоянно движущаяся ткань самой Вселенной. Внутри горизонта событий пространство движется быстрее света, поэтому ничто не может вырваться из чёрной дыры. Вот почему, попав в чёрную дыру, вы начинаете видеть странные вещи вроде нескольких изображений одного и того же объекта.
Можно понять это, задав вопрос: где сингулярность?
Изнутри горизонта событий чёрной 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. Всё это легко просчитывается, хоть и чрезвычайно нелогично. И это только для упрощённого случая: невращающейся чёрной дыры.
А теперь давайте перейдём к физически интересному случаю: когда чёрная дыра вращается. Чёрные дыры обязаны своим происхождением системам из вещества — вроде звёзд — 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 заключённым внутри него, как и масса.
Решение, которое мы имеем здесь, будет намного сложнее. Эйнштейн представил общую теорию относительности в 1915 году, а Карл Шварцшильд получил решение по невращающейся чёрной дыре пару месяцев спустя, в начале 1916 года. Но следующий шаг в моделировании этой проблемы более реалистичным способом — когда чёрная дыра обладает угловым моментов, а не только массой — был предпринят только в 1963 году, когда Рой Керр нашёл 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 чёрной 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 нём испытывают огромные ускорения.
Существует максимальное допустимое отношение углового момента к массе; если импульс будет слишком сильным, чёрная дыра будет излучать эту энергию (посредством гравитационного излучения), пока он не упадёт до предела.
И самое интересное: сингулярность в центре чёрной дыры — это уже не точка, а одномерное кольцо, радиус которого определяется массой и угловым моментом чёрной дыры.
Учитывая всё это, что произойдёт, когда вы попадёте в чёрную дыру? Да то же самое, что произойдёт, если вы попадёте в невращающуюся чёрную дыру, за исключением того, что всё пространство не ведёт себя так, будто падает в направлении центральной сингулярность. Вместо этого, пространство также ведёт себя так, будто перемещается вдоль направления вращения, как закручивающаяся воронка. Чем больше отношение углового момента к массе, тем быстрее она вращается.
Это означает, если вы видите, как что-то падает в чёрную дыру, вы увидите, что оно становится более тусклым и красным, но также размазанным в кольцо или диск по направлению вращения. Если вы упадёте в чёрную 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 чёрной дыры Керра — в разных пространственных координатах. Вы постепенно перестанете видеть другие части вашего собственного тела.
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 чёрную 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 чёрной дыре и пересечь горизонт событий, это будет последним, что вы когда-либо видели.