Как выжить, попав в черную дыру?

Из черной дыры нет выхода. Как только вы пересекаете ее внешнюю границу, гравитация в ней оказывается настолько сильной, что ничто, даже свет, не может сопротивляться ее безжалостному притяжению. Если вы упадете в черную дыру, ваше тело растянет на спагетти огромными силами. Но недавно физики обнаружили способ, благодаря которому бесстрашный космический путешественник может пережить погружение в бездну черной дыры.

Искривленное пространство

Современного описания физики черной дыры пришлось ждать до 1915 года — когда была опубликована общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Эта теория заменила закон Ньютона для сильных гравитационных полей, описав гравитацию как искривление пространства и времени. По теории Эйнштейна гравитационное поле обычной звезды образует в пространстве впадину в форме чаши. Планеты, вращающиеся вокруг звезды, можно представить себе как шарики, которые катаются по внутренней поверхности этой чаши. Если запустить шарик с достаточно высокой скоростью, он перескочит через край чаши и улетит. По мере того как звезда становится меньше и плотнее, чаша будет все глубже, пока — как в случае с черной дырой — не станет похожа на длинную трубу в виде воронки. Любой шарик, который окажется достаточно близко от нее, неизбежно попадет внутрь и будет двигаться по спирали вниз по трубе независимо от его скорости.

Общая теория относительности предсказала, что в центре черной дыры находится так называемая сингулярность — точка нулевого размера и бесконечной плотности, где искривления пространства и времени, а также гравитационные силы приобретают безграничные размеры и сжимают все, что попадает в точку сингулярности, прекращая его существование в мгновение ока.

Вырождение газа

Черные дыры — увлекательные теоретические объекты, но действительно ли они существуют в природе? Похоже, что так. По самому распространенному предположению, они образуются тогда, когда прекращается жизнь массивных звезд. В результате происходит огромный выплеск энергии, который называют вспышкой сверхновой. При такой вспышке ядро звезды сжимается до высочайшей плотности, ее гравитация увеличивается и затягивает саму звезду. Обычное давление газа не способно поддерживать шар из вещества, пытающийся сжаться таким образом. Но этого самого по себе недостаточно, чтобы образовалась черная дыра, как доказал в начале 1930-х годов один молодой индийский астрофизик.



По мере того как источник гравитации становится все меньше и плотнее, гравитационное поле вокруг него усиливается, пока наконец не образуется черная дыра.

Субраманьян Чандрасекар выяснил, что, как только преодолевается давление газа, в дело вступает новая, гораздо более мощная сила. Это открытие было основано на принципе начавшей развиваться в то время квантовой механики — набора физических законов, описывающих поведение атомов и молекул. Один из аспектов квантовой механики называется принципом запрета. Он был сформулирован в 1920-х годах австрийским физиком Вольфгангом Паули и в простейшем своем виде гласит, что квантовые частицы не любят находиться слишком близко друг к другу. Квантовые силы просто растаскивают частицы. Это явление было названо вырождением, и Чандрасекар применил данное понятие к электронам, чтобы показать, что оно способно поддерживать умирающие звезды с массой, примерно в 1,4 раза превышающей массу нашего Солнца. Звезду, существующую за счет силы давления вырожденного электронного газа, называют белым карликом — это тело с невероятно высокой плотностью, в котором масса обычной звезды сжимается до размеров Земли.

В конце 1930-х годов американские физики Роберт Оппенгеймер, Джордж Волков и Ричард Толмен повторили вычисления Чандрасекара для более крупных частиц — нейтронов. Они обнаружили, что давление вырожденного нейтронного газа может поддерживать умирающие звезды массой до трех солнечных масс. Такие тела известны как нейтронные звезды, и они даже еще плотнее, чем белые карлики, — вся масса звезды в них сжимается в сферу с диаметром, приблизительно равным диаметру среднего города. Если же масса сверхновой звезды больше чем в три раза превышает солнечную, то физике не известны силы, способные поддерживать ее гравитационный коллапс, — и тогда должна образоваться черная дыра.

Как найти черную дыру?

Если черная дыра — черная и космос тоже черный, то как узнать, есть ли она там? Именно такая проблема стояла перед астрономами, когда они пытались исследовать то, что астрофизики-теоретики рассказывали им об этих необычных и загадочных объектах. Однако астрономам удалось собрать убедительные доказательства того, что черные дыры действительно существуют. Они делали это несколькими способами. Иногда черная дыра существует в бинарной системе с другой, нормальной звездой. Они вращаются вокруг их общего гравитационного центра по особой орбите, и присутствие черной дыры обнаруживается благодаря ее гравитационному влиянию на светящуюся вторую звезду.

Иногда же, когда черная дыра движется по орбите в тесной бинарной системе, ее гравитация отбирает вещество от ее компаньонки. Это вещество образует пояс вокруг экватора черной дыры — такой пояс называют аккреционным диском. Вещество в диске постепенно теряет энергию и спиралью уходит внутрь до его окончательного поглощения, однако при этом оно сжимается и нагревается, выделяя тепловое излучение в рентгеновском диапазоне, которое можно увидеть с помощью расположенных на Земле телескопов. Кроме того, были обнаружены черные дыры, затаившиеся в центрах некоторых галактик. Эти так называемые сверхмассивные черные дыры обладают массой в миллионы масс Солнца. Астрономы сделали вывод об их существовании, изучая орбиты звезд, расположенные близко к центрам этих галактик.

Выяснилось, что эти звезды движутся так быстро и по таким коротким орбитам, что центральная масса не может быть ничем, кроме черной дыры. Считается, что наша галактика Млечный Путь скрывает в своем центре черную дыру массой 1,6 миллиона солнечных масс. Самая крупная из известных черных дыр расположена в центре галактики QJ 287, ее масса составляет 18 миллиардов масс Солнца. В 1975 году английский физик-теоретик Стивен Хокинг и американский астрофизик Кип Торн заключили знаменитое пари по поводу теории существования черных дыр. Хокинг ставил на то, что Лебедь Х-1, источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя, не является черной дырой. В случае победы он получил бы подписку на журнал Private Eye, а Торн — подписку на журнал Penthouse. В 1990 году Хокинг признал (как и признают это большинство современных физиков), что черные дыры действительно существуют. Так каково же это — попасть в такую дыру?

Горизонт событий

Внешнюю поверхность черной дыры называют ее горизонтом событий. Это не твердая поверхность, а некая сфера вокруг расположенной в центре дыры точки сингулярности, где гравитация настолько сильна, что ее не может покинуть даже свет. В 1916 году немецкий физик Карл Шварцшильд вычислил радиус горизонта событий черной дыры. Для тела массой m радиус сферы Шварцшильда будет определяться по формуле 2 Gm/c^2, где G — гравитационная постоянная Ньютона (1/15 000 000 000), а с — скорость света (300 000 000 метров в секунду). Черной дырой может стать любое тело, если сжать его до достаточно маленького размера. Например, радиус сферы Шварцшильда для Солнца — примерно 3 километра (1,8 мили). Если бы Земля превратилась в черную дыру, ее горизонт событий имел бы радиус 9 миллиметров (0,35 дюйма).

Астронавт, падающий в черную дыру и двигающийся по направлению к ее горизонту событий, заметил бы, что по мере ее приближения постепенно начинает расти гравитационное поле. Вскоре появился бы еще один эффект. Причудливое следствие общей теории относительности заставляет время в гравитационном поле течь медленнее с точки зрения стороннего наблюдателя, следящего за этим процессом в телескоп. Это то же явление растяжения времени, который испытывают наблюдатели, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Он вызван тем, что свету приходится тратить энергию,выбираясь из гравитационного поля дыры. Названный гравитационным красным смещением, этот эффект был подтвержден экспериментально. На самом же горизонте событий степень проявления данного эффекта становится бесконечной и время словно замораживается. Гравитационное красное смещение также означает, что длина световой волны от астронавта постепенно растягивается по мере того, как он все дальше падает в сторону черной дыры, и в конце концов выходит за пределы видимого спектра — то есть астронавт просто-напросто пропадает из виду. С точки же зрения астронавта, это далеко не такая спокойная прогулка.

Разрывающая сила

Когда астронавт приближается к черной дыре, он начинает видеть, как звезды на ее фоне деформируются под воздействием мощного гравитационного поля. Свет от звезд, который в обычной ситуации прошел бы далеко от глаз астронавта, теперь собирается вокруг дыры, притянутый ее силой гравитации, поэтому астронавту кажется, что он смотрит в пространство через объектив «рыбий глаз». Чем ближе он к черной дыре, тем сильнее этот эффект. На расстоянии 1,5 радиуса сферы Шварцшильда от центра черной дыры астронавт попадает в так называемую фотонную сферу. Здесь сила гравитации такова, что свет захватывается на круговую орбиту вокруг дыры. Включив на секунду свой реактивный ранец, чтобы задержаться на фотонной сфере, астронавт поворачивает голову направо и налево и обнаруживает, что может одновременно видеть все, окружающее дыру, то есть его взгляд проходит у него сквозь затылок.

Падая ногами вперед в сторону горизонта событий, астронавт замечает, что разница сил, действующих на его ноги и голову, становится все больше. Гравитация настолько мощная, что даже в ситуации, когда ноги всего на полтора метра ближе к черной дыре, чем голова, они испытывают колоссальную добавочную гравитационную силу. Эта сила начинает растягивать тело астронавта. В то же время эта сила расплющивает его сбоку в плечах. Чем ближе он к точке сингулярности, тем выразительнее этот эффект, пока наконец все тело астронавта не растягивается в длинную тонкую полосу.

Спасательный круг

Обычным образом гравитационные силы черной дыры разорвали бы астронавта на части примерно за 0,1 секунды. Однако два американских физика — Ричард Готт и Дебора Фридмен — предложили способ, который может позволить путешественнику выиграть немного времени. Они подсчитали, что массивное кольцо из вещества вокруг пояса астронавта могло бы компенсировать некоторую часть силы, которая на него воздействует. Говоря «массивное», они именно это и имеют в виду — его масса приблизительно сравнима с массой большого астероида. Гравитация такого кольца будет стягивать обратно голову и ноги путешественника, противодействуя разрывающим его силам. В достаточной дальности от черной дыры это кольцо должно быть размером с одно из колец Сатурна, но по мере приближения к дыре оно будет сжиматься, усиливая свое гравитационное воздействие, которое будет препятствовать нарастающей гравитации дыры.

В принципе такое кольцо даст вам всего лишь добавочную десятую долю секунды, удвоив время, в течение которого вы сможете выжить. Однако этого может оказаться достаточно, чтобы спасти вашу жизнь. Секрет кроется в физике вращения. В своих ранних исследованиях черных дыр Карл Шварцшильд рассматривал лишь дыры, образованные стационарной массой вещества. Но в 1963 году математик новозеландского происхождения по имени Рой Керр получил аналитическое решение уравнений Эйнштейна, которое описывает черные дыры, созданные вращающейся массой. Так называемое решение Керра имело удивительное следствие. В то время как точка сингулярности в центре стационарной черной дыры — это точка, в которую никак нельзя не попасть, если вы пересекли горизонт событий, точка сингулярности внутри вращающейся черной дыры принимает форму кольца.

Если дыра достаточно велика — а также с помощью «спасательного круга» Готта —Фридмен, — для человека-путешественника окажется возможным пройти прямо сквозь это кольцо. Согласно подсчетам, вынырнув с другой стороны кольца, он окажется в новой области космоса — правда, где именно будет находиться эта область, физики пока не могут сказать с уверенностью. Некоторые предполагают, что это может быть отдаленный район нашей Вселенной; другие же считают, что это будет совершенно новая Вселенная. По этой причине многие ученые рассматривают черные дыры Керра как каналы перехода — туннели сквозь пространство и время. Практически все космические объекты имеют определенную степень вращения — например, планеты, Солнечная система, галактика, — и это означает, что черные дыры Керра могут быть скорее нормой, чем исключением. Если это так, то падение в черную дыру вовсе не всегда может оказаться смертельным приговором, как это часто представляется. Более того, если они предоставляют возможность перехода из нашей вселенной в другие, то, вероятно, это самый безопасный способ путешествий.

Отрывок из книги Пола Парсонса "Как уничтожить Вселенную и еще 34 интересных способа применения физики"