Прыгаем в чёрную дыру (ScienceCLic)

Изображения в этом видео основаны на расчетах и симуляциях.

Перевел и озвучил VoicePower.

Добро пожаловать, это Science Click.

Сегодня о том, что мы увидим при падении в черную дыру.

Черная дыра – это сферическая область Вселенной, своего рода пространственно-временной пузырь с сильной гравитацией.

Этот пузырь притягивает объекты, как бы растягивая ткань космоса, подобно звезде или планете.

Поверхность пузыря называется горизонтом событий черной дыры.

Он разделяет Вселенную на две области, внешнюю и внутреннюю.

За горизонтом событий ткань Вселенной тянется настолько быстро, что ничто, даже свет, не может вырваться из черной дыры.

Сегодня нам известно, что во Вселенной содержится множество черных дыр.

Они находятся очень далеко и не представляют для нас опасности.

Тем не менее, из любопытства мы можем задаться вопросом, что бы мы увидели у Падимы в одной из них.

Ответ на этот вопрос позволит нам улучшить понимание экстремальных явлений во Вселенной и исправить несколько распространенных заблуждений на эту тему.

В центре нашей галактики Млечный Путь находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А со звездочкой.

На космическом корабле мы подобрались к ней на разумное расстояние и выпрыгнули в космическую пустоту.

Так начинается наше падение.

Оно продлится около часа и будет фатально для нас.

Корабль остается на месте, на орбите черной дыры, и наблюдает за нашим падением.

Первый этап.

Перед падением.

Прежде чем начать падать, мы столкнемся с проблемой.

Черная дыра сверхмассивна, ее гравитация равна массе миллионов масс Солнца.

Обладая таким притяжением, она захватывает звезды и окружающую материю, образуя плотный диск плазмы, который вращается вокруг черной дыры.

Этот диск вращается невероятно быстро, почти со скоростью света, и теряет энергию из-за трения, что вызывает возмущение, которые разогревают диск.

Из-за чего диск испускает мощное видимое ультрафиолетовое рентгеновское и гамма-излучение.

Из-за этого излучения мы тут же ослепнем и рискуем быть сожженными заживо.

Хотя и сама плазма, которая может достигать нескольких миллиардов градусов, тоже может сжечь нас заживо.

Поэтому далее мы предположим, что облачились в крайне устойчивый скафандр, который защищает нас от жара и не пропускает вредное излучение.

Однако скафандр не решает проблему невероятной яркости аккреционного диска.

Мы все еще ничего не видим.

Поэтому представим, что на шлеме есть светофильтр, снижающий яркость диска, благодаря чему мы можем видеть его в деталях, как и звезды на фоне.

Первое, что мы замечаем – диск синий.

Из всего электромагнитного спектра наш светофильтр пропускает только видимый свет, который могут воспринимать наши глаза.

В этой части спектра диск излучает больше синего, потому что длина волны этого цвета более энергетична.

Тот же самый эффект придает горячим звездам синеватый оттенок.

Что странно, одна сторона диска ярче другой.

Все потому, что материя вращается очень быстро, настолько, что с одной стороны она приближается к нам на большой скорости, в то время как с другой стороны она удаляется от нас.

На одной стороне световые волны складываются, и мы воспринимаем их с большей частотой, а на другой стороне световые волны растягиваются и доходят до нас с меньшей энергией.

Это эффект Доплера.

То же явление, которое происходит со звуком, когда мимо проезжает машина.

Смотря на черную дыру, мы видим, что задняя часть аккреционного диска искажена, будто бы изогнута вдоль горизонта событий, формируя кольцо света.

Этот эффект обусловлен сильной гравитацией черной дыры, которая отклоняет лучи света, действуя в качестве гравитационной линзы.

Смотря в одном направлении, мы увидим объекты, расположенные в другом.

Наконец, звезды на фоне кажутся слегка синеватыми.

Мы этого не ощущаем, но черная дыра искажает время таким образом, что наши часы слегка замедляются относительно часов далеких звезд.

В сравнении с течением нашего времени, свет от звезд кажется настолько ускоренным, что мы видим его смещенным в синюю область относительно его исходного цвета.

Второй этап – падение сквозь аккреционный диск.

На удивление, первые 10 минут падения чёрная дыра будто бы отдаляется от нас.

Мы всё ближе и ближе к ней, но кажется, что она становится всё меньше и меньше.

Представьте, что бросаете мяч через машину.

Брошенный под углом 90 градусов, он пересекает её ровно поперёк.

Водитель видит мяч, пересекающий машину под прямым углом.

А теперь представьте, что автомобиль двигается.

Теперь водитель увидит мяч, летящий спереди, под более острым углом.

Из-за движения машины кажется, что объекты, достигающие ее, двигаются под другим углом, ближе к передней части.

В нашем случае похожая ситуация.

Только вместо меча лучи света.

Свет доходит до нас от диска под определенными углами.

Но из-за того, что мы двигаемся к черной дыре, кажется, что лучи достигают нас с другого направления, скучиваясь спереди.

Это аберрация.

Спустя первые 10 минут мы падаем очень быстро, со скоростью 4% от скорости света.

С этого момента и далее черная дыра начинает расти в поле нашего зрения.

В течение минут мы постепенно сближаемся с черной дырой.

Наша скорость возрастает, и спереди свет доходит до нас со все увеличивающейся яркостью, в то время как позади нас мы наблюдаем, как свет становится тусклее.

Это снова эффект Доплера в действии.

При падении в черную дыру мы сталкиваемся со светом перед нами, в то время как свету позади нас становится все труднее достичь нас.

Если мы посмотрим назад, то заметим, что часы на корабле идут медленнее, чем раньше.

Эффект слабо выражен, но все же заметен.

Он тоже обусловлен эффектом Доплера.

Если мы представим, что часы спускают сигнал каждую секунду, то эти сигналы будут доходить до нас все дольше и дольше, и поэтому мы наблюдаем ход стрелки часов в замедленном действии.

Проходят минуты и мы постепенно пролетаем через диск из материи.

Неожиданно, спустя 57 минут падения, кажется, что диск угасает.

Только что мы достигли точки, после которой материя больше не может стабильно вращаться вокруг черной дыры.

Гравитация настолько сильная, что на этом расстоянии плазма начинает очень быстро по спирали попадать в черную дыру.

Теперь все будет происходить куда быстрее.

Третий этап.

Пересекая горизонт событий.

Всего через две минуты мы уже в два раза ближе к горизонту событий.

С этого момента любой свет снаружи обречен попасть в черную дыру.

Эта область называется фотонной сферой.

Точно на ее границе свет даже может вращаться вокруг черной дыры.

По мере нашего сближения пассажиры, оставшиеся на корабле, наблюдают, как наше изображение тускнеет и постепенно замедляется, пока не застынет на горизонте событий.

Свету, идущему от нас, требуется все больше и больше времени, чтобы вырваться из зоны действия черной дыры.

Он доходит очень медленно и постепенно ослабевает.

Пассажиры никогда не увидят, как мы пересекаем горизонт событий.

Ну а мы всего через 24 секунды после пересечения границы фотонной сферы пересекаем горизонт событий.

С этого момента мы никак не сможем вернуться.

Но что мы будем наблюдать, когда пересечем горизонт событий?

Как ни странно, ничего особенного.

Фактически будет крайне сложно определить момент, когда именно мы пересекли горизонт событий.

До нас все еще доходит свет далеких звезд, который попал в черную дыру вместе с нами.

И мы все еще видим корабль на орбите, на котором хоть и кажется, что часы замедлились, но они все еще идут.

И все так же мы отлично видим наше тело, и стопы в частности.

Ведь даже если свет попал внутрь черной дыры, он все еще может двигаться вверх относительно нашего тела, а значит и достигать наших глаз.

Это фундаментальный принцип.

Глобально пространство-время искривлено черной дырой, которая создает горизонт событий, внутри которого объекты более не могут попасть наружу.

Но локально пространство-время практически плоское, и его кривизна незаметна.

Что значит, тут все объекты ведут себя как обычно.

Более того, вопреки тому, что можно подумать, изображение черной дыры вовсе не окружило нас.

Даже когда мы внутри нее, она занимает лишь 15% нашего поля зрения.

Остальное усыпано звездами.

И снова все из-за явления аберрации.

Теперь, когда мы движемся очень быстро, свет, доходящий до нас с боков и даже позади нас, теперь воспринимается как идущий спереди.

Наше поле зрения сжимается перед нами и расширяется позади.

В частности, корабль позади нас кажется всеувеличивающимся, хотя мы и удаляемся от него.

Мы пересекли горизонт событий, но не произошло ничего необычного.

Однако, если мы пошлем сигнал наружу, он никогда не достигнет адресата.

Всему, что попало за горизонт событий, суждено падать вниз, без всякой надежды на возвращение.

Но пока что все в порядке.

А вот спустя еще 30 секунд, прямо перед достижением центра черной дыры, в один миг мы ощутим невероятно мощную силу, которая будет растягивать нас, пока не разорвет.

Это спагеттификация.

Наша голова чуть дальше, чем стопы от центра черной дыры, но разницы в притяжении достаточно, чтобы тело очень быстро разорвало.

В наши последние мгновения у нас будет ощущение, что мы падаем на плоскую поверхность, как если бы мы приближались к поверхности абсолютно черной планеты.

Пока круг света будет становиться все ярче.

Еще через десятую долю секунды разорванные на мелкие кусочки останки нашего тела достигнут центра черной дыры.

Здесь наше путешествие заканчивается.

На данный момент современная физика не может описать, что происходит настолько близко к центру черной дыры.

Текущие теории описывают сингулярности, точки, в которых кривизна пространства-времени устремляется в бесконечность, но ученые подозревают, что эти сингулярности на самом деле не существуют.

Нам нужно объединить теорию гравитации с квантовой физикой, если мы хотим понять эти экстремальные области космоса.

А пока некоторые гипотезы даже ставят под вопрос возможность выживания после пересечения горизонта событий.

Более того, в реальности у черных дыр может быть момент импульса, который создает странные эффекты с множественными горизонтами событий и математическими нестабильностями, последствия которых мы еще не понимаем.

Тем не менее, текущая теория все же дает нам хорошее представление о том, что же мы увидим.

В частности, мы можем исправить несколько широко распространенных заблуждений.

Например, что аккреционный диск вокруг черной дыры не оранжевый, а синий.

Если на некоторых изображениях он представлен оранжевым, то это потому, что ученые используют ложные цвета, функция которых лишь передать яркость, но не настоящий цвет в видимом спектре.

Другая широко распространенная идея, что мы будем наблюдать всю историю Вселенной, разворачивающейся перед нашими глазами, пока наше поле зрения не будет поглощено черной дырой.

Это тоже ошибочно, так как не учитывает эффект Доплера и аберрацию света.

Однако еще много загадок предстоит разгадать, и нужно подождать, пока наши теории усовершенствуются, чтобы понять, что на самом деле происходит в сердце настоящей черной дыры.