65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
В качестве примера безопасного соседства с черной дырой можно привести центр нашей галактики. Там, как и в центрах множества других галактик, находится сверхмассивная черная дыра, вокруг которой на достаточно близких расстояниях уже миллиарды лет спокойно вращаются звезды, и черная дыра их не засасывает.
Но давайте обсудим более интересный вопрос – а что будет, если все-таки прыгнуть в черную дыру? Как будет выглядеть процесс такого падения? Что при этом увидит космонавт, совершающий такой безрассудный полет? А что увидит внешний наблюдатель? Тут проявится эффект относительности хода времени в максимальной степени. Оказывается, с точки зрения внешнего наблюдателя космонавт никогда до черной дыры не долетит. Вы же помните, что в ОТО время вблизи тяжелых объектов (а точнее – в искривленном пространстве-времени) замедляется? А поскольку вблизи черной дыры пространство-время искривляется максимально возможным образом, то и время там будет течь максимально медленно. То есть внешний наблюдатель увидит, как космонавт по мере приближения к горизонту событий постепенно замедляется, все процессы внутри его космического корабля протекают все медленнее и медленнее. Так что приближение к горизонту событий с каждым метром будет требовать все большего времени. Для внешнего наблюдателя космонавт просто застынет где-то на подлёте, процесс падения в черную дыру никогда не закончится.
А вот с точки зрения самого космонавта картина этого полета будет выглядеть совершенно иначе. По его собственным часам весь полет займет довольно короткое время. Такое же, как если бы он отправился в полет не к черной дыре, а к какой-нибудь обычной звезде. Более того, если черная дыра достаточно массивная (в несколько миллиардов раз тяжелее нашего Солнца), то он может вообще даже не заметить того момента, когда он пересек ее горизонт событий.
Но если черная дыра будет не столь массивна, то даже приближение к ней приведет к довольно драматическим последствиям. Поначалу космонавт ничего особенного не почувствует. Но по мере приближения к горизонту событий кривизна пространства-времени будет становиться все больше, а, следовательно, градиент или разница между силами притяжения в разных частях его космического корабля также будет становиться все больше. Откуда возникает этот градиент?
На самом деле, даже в земных условиях, когда мы просто куда-нибудь идем (только нормально, а не вниз головой), наши ноги Земля притягивает чуть-чуть сильнее, чем нашу голову, поскольку голова находится чуть-чуть дальше от Земли, чем наши ноги. Но искривление пространства вблизи Земли не столь велико, поэтому мы не замечаем этого отличия.
Тем не менее даже такое небольшое отличие сил гравитационного притяжения вызывает на нашей планете приливы и отливы. Поскольку Луна постоянно вращается вокруг Земли, то, пролетая над поверхностью океана, она притягивает поверхность воды чуть сильнее, чем дно океана (ведь дно находится дальше от Луны). Поэтому на поверхности океана образуются гребни гигантских волн, которые Луна тянет за собой по мере своего вращения по орбите. А на противоположной стороне Земли в это время происходит обратный процесс: ведь там дно океана находится чуть ближе к Луне, чем вода, а значит, дно будет притягиваться к Луне чуть сильнее, чем поверхность океана, и она будет стремиться немного отдалиться. Получается, что Луна как бы растягивает весь мировой океан в плоскости своего вращения вокруг Земли.
Нечто похожее происходит и вблизи горизонта событий черной дыры. Только там эти различия могут достигать поистине космических масштабов: сила притяжения ног (при условии, что наш космонавт падает в сторону черной дыры именно ногами) может в сотни, тысячи или даже миллионы раз отличаться от силы притяжения его головы. Это приводит к сильнейшему растяжению всего тела космонавта (да и всего космического корабля) в направлении падения. Ученые даже придумали специальный термин для этого – «спагеттификация».
Поэтому еще до того, как наш космонавт пересечет горизонт событий, он будет разорван приливными силами. Здесь еще раз следует оговориться, что так будет происходить только для сравнительно небольших черных дыр, масса которых сравнима с массой нашего Солнца. Для сверхмассивных черных дыр (одну из которых, к примеру, показали в фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар») на горизонте событий не столь большой градиент гравитационного поля, поэтому падать в такие черные дыры гораздо безопаснее, т. к. нет риска быть спагеттифицированным. Однако, попав за горизонт событий, обратно выйти вам уже не удастся, и по мере приближения к центру черной дыры/сингулярности спагеттификация все равно произойдет. Так что с такими экспериментами лучше повременить, хотя бы до момента создания теории квантовой гравитации (но об этом мы поговорим чуть позже, в главе «Почему несовместимы квантовая механика и теория относительности?» (стр. 306).
Из-за своих поистине фантастических свойств черные дыры довольно долгое время оставались лишь декорацией сюжетов различных фантастических фильмов и романов, а также предметом абстрактных рассуждений физиков-теоретиков. Однако развитие наблюдательной техники в конце ХХ – начале XXI века дало возможность обнаружить в космосе реальные черные дыры. Так, 10 апреля 2019 года на пресс-конференции участники проекта «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope) презентовали результаты своих многолетних наблюдений. Им удалось сделать самую первую в истории фотографию черной дыры, расположенной внутри галактики Мессье 87. А уже 12 мая 2022 года эта же группа ученых опубликовала изображение сверхмассивной черной дыры Стрелец А*, расположенной в самом центре нашей галактики!
Заметим, что на самом деле сфотографировать саму черную дыру невозможно, поскольку она ни излучает, ни отражает падающий на нее свет. Но черные дыры обычно не одиноки, возле них могут находиться другие звезды. Эти звезды под действием гравитации могут постепенно приближаться к горизонту событий, и вещество звезд начнет перетекать в черную дыру. При таком перетекании далеко не все вещество сразу падает за горизонт, большая его часть закручивается вокруг черной дыры по спирали и разгоняется до скоростей, близких к скорости света. В этом процессе из-за трения разных слоев оно сильно разогревается и начинает светиться. Под действием гравитации падающее вещество сжимается и образует диск, наподобие дисковых колец Сатурна, только у черных дыр они состоят из раскаленного вещества, которое вращается с бешеной скоростью. Такой диск (который, кстати, образуется не только вокруг черных дыр, но и вокруг некоторых звезд) ученые называют аккреционным, от лат. accrētiō – «приращение, увеличение». Так
