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».

12. Мерцание звезд сквозь аккреционный диск

Свет от крошечных фоновых звезд искривляется гравитацией дыры. Но так как свет проходит сквозь аккреционный диск, который (благодаря 3D-шуму) постоянно кипит и бурлит, плотность газа на пути лучей непрерывно меняется. Из-за этого свет звезд то проходит насквозь, то преломляется, то перекрывается плотным сгустком плазмы. В итоге получается живой эффект «мерцания», прямо как у звезд на земном небе из-за атмосферы, только здесь роль атмосферы играет кипящая плазма, летящая на субсветовой скорости!