Що ми побачимо під час падіння в чорну діру
Вітаю на ScienceClic.
Що ми могли б побачити під час падіння в чорну діру.
Чорна діра - це область простору-часу, яку можна уявити як просторово-часову бульбашку з надзвичайно потужною гравітацією.
Вона притягує об'єкти, деформуючи й тягнучи "тканину" простору-часу, схожим чином, як це роблять зірки чи планети.
"Поверхня" чорної діри називається горизонтом подій.
Горизонт розділяє Всесвіт на дві області: зовнішню і внутрішню.
Під горизонтом простір-час "тягнеться" настільки швидко, що навіть світло не може уникнути падіння в чорну діру.
Сьогодні ми знаємо, що в нашому Всесвіті є багато чорних дір.
Вони дуже віддалені й не становлять для нас небезпеки.
Проте можна з цікавості "провалитися" в одну з них, щоб дізнатися, що ми побачили б під час падіння.
Це дозволить нам краще зрозуміти деякі екстремальні явища нашого Всесвіту, і позбутися хибних уявлень щодо особливостей чорних дір.
Наша галактика (Чумацький Шлях) містить у своєму центрі надмасивну чорну діру, яка називається "Стрілець А*" (Стрілець А з зірочкою).
Ми наближаємося на космічному кораблі до неї на достатню відстань, і стрибаємо в космічну порожнечу.
Звідси починається наше падіння, яке триватиме близько однієї години й буде фатальним для нас.
Космічний корабель залишається на орбіті навколо чорної діри й спостерігає за нашим падінням.
Ще до початку вільного падіння ми стикаємося з проблемою: ця чорна діра є надмасивною.
Її маса у 4 мільйони разів більша, ніж маса Сонця.
Своїм тяжінням вона захоплює навколишню речовину: зірки, газ і пил, формуючи диск іонізованого газу, який обертається навколо чорної діри.
Цей диск обертається надзвичайно швидко, майже зі швидкістю світла.
Стискання речовини й тертя газових шарів під час обертання розігрівають диск.
Це зумовлює інтенсивне випромінювання: у світловому, УФ, рентгенівському та гамма діапазонах, яке миттєво засліпить нас і випарує наше тіло разом з кораблем.
Сама плазма, температура якої може сягати кількох мільярдів градусів, також не лишає нам шансів.
Тому надалі вважатимемо, що у нас є фантастично стійкий ідеально теплоізольований скафандр, який непроникний для будь-якого шкідливого випромінювання.
Однак, незважаючи на скафандр, яскравість диска настільки висока, що ми не можемо бачити жодних його деталей.
Тож уявімо, що наш шолом дозволяє зменшити кількість світла достатньо, щоб можна було бачити й сам диск в деталях, і зірки на фоні.
Спочатку ми помітимо, що диск синій.
З усього електромагнітного спектра наш шолом не пропускає нічого, окрім видимого світла - світла, яке ми здатні бачити.
Максимум випромінювання диска лежатиме в синьо-фіолетовій ділянці видимого спектра.
Це той самий ефект, який зумовлює колір дуже гарячих блакитних гігантів.
На подив, один бік диска яскравіший, ніж інший.
Речовина в диску рухається дуже швидко.
Тож з одного боку вона наближається до нас на великій швидкості, а з іншого боку віддаляється.
Випромінювання речовини, що рухається до спостерігача, має не лише вищу частоту, а й більшу світність/яскравість, тоді як випромінювання речовини, що віддаляється, матиме нижчу частоту і меншу світність/яскравість.
Це прояв ефекту Доплера.
Ми можемо навіть почути його як зміну частоти звуку від автомобіля, що проїжджає повз нас.
[Звук автомобіля]
Можна побачити, що задня частина диска має викривлену форму: він ніби огинає чорну діру, утворюючи світлове кільце.
Це пов'язано з екстремальним тяжінням чорної діри, яке відхиляє світлові промені, діючи як гравітаційна лінза.
Дивлячись в певному напрямі, ми бачимо об'єкти, які розташовані не на прямій зору.
І нарешті зірки на задньому плані мають блакитний колір.
Ми не відчуваємо цього, але чорна діра змінює плин часу так, що наш годинник йтиме трохи повільніше, ніж годинник біля далеких зірок.
Відносно нашого годинника світло зазнає настільки великого фіолетового зсуву, що ми бачимо його синім.
Протягом перших 10 хвилин вільного падіння нам здаватиметься, що чорна діра віддаляється.
Ми все ближче і ближче до неї, але її зображення стає все меншим і меншим.
Уявіть, що ви кидаєте м'яч через автомобіль.
М'яч летить в площині, перпендикулярній поздовжній осі автомобіля.
Пасажир бачить, як м’яч рухається поперек автомобіля, утворюючи з віссю кут 90 градусів.
А тепер уявіть, що машина рухається.
Цього разу пасажир бачитиме м'яч, що летить в площині, яка утворює гострий кут зі швидкістю.
Оскільки автомобіль рухається, швидкості об'єктів тепер ніби зміщуються до передньої його частини.
У нашому випадку ситуація значною мірою аналогічна.
Тільки замість кульок тепер світлові промені.
Ми отримуємо світло від диска з певних напрямів.
Але оскільки ми рухаємося до чорної діри, світло приходить до нас з інших напрямів: переважно спереду.
Це називається аберацією.
Після цих перших десяти хвилин швидкість падіння досягає 4% (чотирьох відсотків) від швидкості світла.
І з цього моменту чорна діра починає збільшуватися в полі нашого зору.
Минають хвилини, ми поступово наближаємося до чорної діри.
Наша швидкість зростає, і світло, що приходить спереду, має тепер вищу інтенсивність, в той час, як світло, що приходить ззаду, тьмянішає.
Це також є проявом ефекту Доплера.
Під час падіння у чорну діру ми ніби "наздоганяємо" світло перед нами, тоді як світлу позаду нас все важче досягти нас.
Обернувшись назад, ми б побачили, що годинник всередині космічного корабля йде повільніше, ніж раніше.
Ефект незначний, та все ж помітний.
Це також пов'язано з ефектом Доплера.
Якщо годинник випромінює сигнали щосекунди, то інтервали між цими сигналами ставатимуть все довшими.
Тож віддалений годинник йтиме повільніше.
Минає іще кілька хвилин, і ми починаємо летіти над акреційним диском.
Раптово, через 57 хвилин після початку падіння, диск під нами зникає.
Ми щойно досягли межі, яка називається найбільш внутрішньою стійкою коловою орбітою (ISCO).
Гравітація настільки сильна, що на менших відстанях речовина по спіралі дуже швидко падає в чорну діру.
Відтепер все відбуватиметься набагато швидше.
Усього через дві хвилини ми будемо вдвічі ближче до горизонту.
Тут будь-яке світло, що прийшло ззовні, обов'язково потрапить в чорну діру.
Це називається фотонною сферою, або останньою фотонною орбітою, на якій рух по колу можливий лише для світла.
В міру нашого наближення до горизонту, пасажири на космічному кораблі побачать, що ми сповільнюємося і поступово "зникаємо", доки зовсім не зупинимося біля самого горизонту.
Випроміненому нами світлу потрібно все більше часу, щоб дійти до корабля.
Воно зміщується в бік червоного кольору (і далі по спектру), а його інтенсивність падає до нуля.
Пасажири ніколи не побачать, як ми перетинаємо горизонт подій.
Але для нас мине лише 24 секунди після проходження фотонної сфери, перш ніж ми досягнемо горизонту.
Від цього моменту ми вже не зможемо повернутися назад.
Але що ми бачитимемо, перетинаючи горизонт?
Як не дивно, та нічого особливого.
В дійсності, нам було б дуже важко визначити, коли саме ми перетнули горизонт.
Ми все ще отримуємо світло від далеких зірок, яке падає разом з нами.
Ми все ще можемо бачити космічний корабель на орбіті, годинник якого, хоч і дуже сповільнено, та все ж йде.
Ми можемо бачити усі частини нашого тіла, зокрема ноги.
Оскільки навіть якщо все світло поширюється вниз, воно все ще може рухатися вгору відносно нас, досягаючи наших очей.
Це насправді фундаментальний принцип.
В глобальному масштабі простір-час, викривлений чорною дірою, породжує горизонт, об'єкти всередині якого не впливають на зовнішні тіла.
Але в локальному масштабі простір час тут майже плаский, і його кривизна не помітна, тож для вас усе відбуватиметься нормально.
Якщо не зважати на те, що ви падаєте. )
До того ж, на відміну від того, що можна було б очікувати, зображення чорної діри не займатиме усього поля зору.
Навіть якщо ми зараз усередині чорної діри, її зображення займає лише 15% (відсотків) нашого поля зору.
Решта все ще наповнена зірками.
Це знову ж таки пов'язано з аберацією світла.
Тепер, коли ми рухаємося надзвичайно швидко, світло, що надходить з боків і навіть ззаду, здається, що приходить до нас спереду.
Наше поле зору звужується перед нами, і розширюється позаду нас.
Космічний корабель позаду на вигляд стає більшим, не зважаючи на те, що ми віддаляємося від нього.
Ми перетнули горизонт, і нічого особливого не сталося.
Однак відтепер, сигнал, якщо ми спробуємо надіслати його назовні, ніколи не досягне місця призначення.
Під горизонтом все приречене падати вниз без жодного шансу покинути цей регіон простору-часу.
Але цієї миті у нас поки що все добре.
У нас є лише 30 секунд, перш ніж ми досягнемо центру чорної діри.
Ми відчуємо неймовірно потужний вплив: вас розтягуватиме вздовж тіла і стискатиме поперек.
Це називається спагетіфікацією.
Наша голова розташована далі від центру, ніж ноги.
Відмінність в тяжінні настільки велика, що наше тіло дуже швидко розривається на частини.
В наші останні миті життя ми відчуватимемо, ніби врізалися в пласку поверхню.
Ніби ми досягали поверхні цілковито чорної планети.
В той час як коло світла ставатиме інтенсивнішим, через 0,1 с (одну десяту секунди) подрібнені рештки нашого тіла досягнуть центру чорної діри.
Наша подорож закінчується тут.
Фізика на теперішній час не може описати, що відбувається дуже близько до центру чорної діри.
Наші сучасні теорії описують особливі точки - сингулярності, - в яких кривизна простору-часу стає нескінченною.
Деякі вчені припускають, що самих сингулярностей насправді немає.
Нам потрібно поєднати гравітацію з квантовою фізикою, якщо ми хочемо зрозуміти ці екстремальні місця нашого Всесвіту.
Зараз деякі гіпотези навіть піддають сумніву те, що можна вижити під час перетину горизонту.
Ба більше, реальні чорні діри можуть обертатися, тобто мати момент імпульсу, що породжує дивні ефекти з кількома горизонтами й математичними нестабільностями, наслідки яких ми ще до кінця не розуміємо.
Наша сучасна теорія все ще дає нам хороше уявлення про те, що ми побачимо.
Зокрема, ми можемо виправити кілька поширених хибних уявлень.
Наприклад, акреційний диск біля чорної діри не оранжевий, а синій.
Якщо на деяких зображеннях диск оранжевий, то це тому, що там були використані псевдокольори, призначені лише для представлення світності, але не реального забарвлення.
Іще одна поширена хибна ідея полягає в тому, що ми при падінні в чорну діру побачили б всю історію Всесвіту, тоді як наше поле зору звузилося б у точку.
Це також неправильно, оскільки тут не враховані ефект Доплера та аберація світла.
Існує ще багато таємниць, які нам належить розкрити.
І нам доведеться зачекати, доки наші теорії вдосконаляться настільки, щоб дозволити нам з'ясувати, що ж в дійсності відбувається у центрі справжньої чорної діри.
