ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ

Удивительная астрофизика черных дыр
Которую удалось узнать пока я разрабатывал этот симулятор

1. Застывание времени у горизонта событий 

Согласно Общей теории относительности Эйнштейна, массивная гравитация замедляет ход времени. Если мы отправим зонд в черную дыру и будем наблюдать за ним издалека, мы никогда не увидим, как он пересекает горизонт событий. По мере приближения к черной дыре зонд будет падать всё медленнее. Из-за колоссальной гравитации свету, который испускает зонд, будет всё труднее вырваться наружу. Его световые волны растянутся, став сначала красными (красное смещение), потом перейдут в инфракрасный, микроволновой и радиодиапазон. Для нас зонд навсегда «застынет» на границе тьмы и постепенно растворится в невидимости. Однако для самого зонда время не изменится — он пересечет горизонт за считанные мгновения.

2. Гравитационное линзирование 

Черная дыра обладает настолько колоссальной массой, что она прогибает саму ткань пространства-времени, образуя глубокую воронку. Любой свет, пролетающий мимо, вынужден двигаться по искривленному пути. Черная дыра работает как гигантская, но очень искажающая стеклянная линза. Свет от галактик и звезд, находящихся далеко позади черной дыры, огибает ее с разных сторон. В результате мы видим дуги света или даже идеальное гало вокруг тьмы — это явление называется Кольцом Эйнштейна.

3. Фотонная сфера: Орбита из чистого света

Гравитация черной дыры настолько сильна, что она может заставить объекты вращаться вокруг нее. Но на определенном расстоянии — ровно 1.5 радиуса Шварцшильда (чуть выше горизонта событий) — гравитация способна захватить на круговую орбиту даже невесомые частицы света (фотоны). Это место называется Фотонной сферой. В этой зоне свет может вращаться по кругу годами. Если бы вы могли оказаться там и зависнуть, то свет, отраженный от вашего затылка, облетел бы черную дыру по кругу и ударил бы вам прямо в глаза — вы бы увидели себя со спины!

4. Доплеровское свечение 

Газ в аккреционном диске вращается вокруг черной дыры с субсветовой скоростью (составляющей значительную часть от скорости света). Из-за релятивистского эффекта Доплера (того же эффекта, из-за которого сирена приближающейся скорой помощи звучит выше, а удаляющейся — ниже) свет ведет себя по-разному в зависимости от направления движения. Та часть газа, которая летит прямо на нас, как бы «спрессовывает» свои световые волны: свет становится более энергичным, синим и ослепительно ярким. Та часть газа, что летит от нас, растягивает свои волны, становясь тусклой и красной. Это делает внешний вид черной дыры резко асимметричным.

5. Метрика Керра 

В космосе почти всё вращается, и черные дыры — не исключение. Вращающаяся черная дыра описывается так называемой метрикой Керра. В отличие от статичной дыры, вращающаяся увлекает за собой саму ткань пространства-времени, закручивая ее как водоворот (эффект Лензе-Тирринга). Это приводит к тому, что газ может подходить вплотную к горизонту событий, не падая в него, а сама форма горизонта сплющивается.

6. Магнитогидродинамическая турбулентность 

Газовый диск черной дыры — это не спокойная река. Из-за колоссального трения газ разогревается до миллионов градусов, превращаясь в плазму. В этой плазме возникают мощнейшие магнитные поля, которые приводят к так называемой магнито-вращательной неустойчивости. Газ постоянно «кипит», в нем образуются турбулентные завихрения, сгустки и пустоты. Это делает диск похожим на бурлящий, пушистый туман, а не на идеальную гладкую поверхность.

7. Шеринг дифференциального вращения 

По законам Кеплера, чем ближе газ к центру гравитации, тем быстрее он должен вращаться. Внутренние слои аккреционного диска совершают оборот вокруг черной дыры в сотни раз быстрее внешних. Если в диске образуется круглое облако плазмы, внутренние орбиты мгновенно вытянут его вперед, а внешние — отстанут. За считанные часы круглое облако растянется в невероятно длинную и тонкую спираль. Именно сочетание постоянного кипения (п.6) и растягивания в спирали (п.7) создает тот самый гипнотический, волокнистый узор, который мы реализовали в симуляторе.

8. Спагеттификация (И почему гигантские черные дыры безопаснее)

Если вы падаете в небольшую черную дыру (размером с город), гравитация у ваших ног будет значительно сильнее, чем у вашей головы. Разница в притяжении — так называемая приливная сила — будет настолько огромной, что вас растянет в длинную нить толщиной в один атом. Ученые официально назвали этот эффект «спагеттификацией». Но парадокс в том, что в сверхмассивную черную дыру (размером с Солнечную систему) вы можете упасть совершенно безопасно! Радиус её горизонта событий настолько велик, что кривизна пространства там плавная, и разница в гравитации между ногами и головой почти нулевая. Вы пройдете горизонт живым и невредимым (правда, спагеттификация всё равно настигнет вас глубоко внутри).

9. Сингулярность: Обмен ролями Пространства и Времени

Под горизонтом событий гравитация становится настолько экстремальной, что законы физики выворачиваются наизнанку. Внутри черной дыры пространство и время буквально меняются своими математическими свойствами. Движение к центру черной дыры (к сингулярности) перестает быть направлением в пространстве — оно становится вашим неизбежным будущим во времени. Пытаться улететь от сингулярности внутри дыры так же бессмысленно и невозможно, как пытаться улететь от завтрашнего дня в нашем мире.

10. Бесплатный билет в будущее 

Гравитация черной дыры работает как машина времени, но только в одном направлении — в будущее. Если вы подлетите очень близко к горизонту событий, мощное гравитационное поле кардинально замедлит ход вашего времени относительно остальной Вселенной. Вы можете покружить на орбите пару часов, а когда вернетесь на Землю, обнаружите, что там прошли тысячи лет. Это абсолютно реальный физический эффект, блестяще показанный на планете Миллер в фильме «Интерстеллар».

11. Кольцевая сингулярность 

Все мы слышали, что в центре черной дыры находится сингулярность — точка бесконечной плотности и нулевого объема. Но это верно только для невращающихся (статичных) дыр, которых в природе почти не существует. У реальной вращающейся черной дыры центробежная сила не дает материи сжаться в одну точку. Вместо этого сингулярность растягивается в кольцо смерти нулевой толщины, вращающееся со скоростью света — кольцевую сингулярность (ringularity). Некоторые смелые теории гласят, что если космический корабль пролетит точно сквозь центр этого кольца (не коснувшись его краев), он не будет уничтожен, а попадет в другую вселенную или вылетит из так называемой «белой дыры».