Черные дыры — пожалуй, самые загадочные объекты во Вселенной. Они настолько плотные, что сила тяготения не позволяет ничему, даже свету, покинуть пределы черной дыры. Физики обнаружили множество черных дыр, от небольших до сверхмассивных, массой в миллионы или миллиарды солнечных. Важное свойство горизонта событий — что свет не может его преодолеть — создает границу в пространстве: как только вы ее пересечете, вы обречены оказаться в сингулярности. Но что вы увидите, падая в черную дыру? Погаснет ли свет или останется? Физики знают ответ, и он вам понравится.
В центре нашей собственной галактики мы увидели движение звезд вокруг центральной точки массы в 4 миллиона солнечных масс, не испускающей никакого света. Этот объект — Sagittarius A* — однозначный кандидат в черную дыру, которого мы можем определить напрямую, измеряя звезды на его орбите.
Но есть несколько очень странных вещей, которые происходят, когда вы приближаетесь к горизонту черной дыры, и они становятся еще страннее, когда вы его пересекаете. Есть причина, по которой вы, преодолев этот невидимый барьер, уже не сможете никогда его покинуть. И неважно, какой класс черной дыры вас засосал, какой космический корабль пытается вас оттуда унести или что-то еще. Общая теория относительности — серьезная штука, особенно когда дело доходит до черных дыр. Причина связана с величайшим достижением Эйнштейна: она связана с тем, КАК черная дыра искривляет пространство-время.
Когда вы находитесь очень далеко от черной дыры, ткань пространства изогнута меньше. Фактически, когда вы находитесь очень далеко от черной дыры, ее гравитация неотличима от любых других масс, будь то нейтронная звезда, обычная звезда или просто диффузное облако газа. Пространство-время может быть искривлено, но все, что вы можете определить издалека, это присутствие массы, без данных о распределении этой массы. Но если взглянуть своими глазами, то вместо облака газа, звезды или нейтронной звезды, будет абсолютно черная сфера в центре, не излучающая никакого света.
Эта сферическая область, известная как горизонт событий, — это не что-то физическое, а скорее область пространства определенного размера, из которой не может сбежать свет. Можно было бы предположить, что издалека размер черной дыры кажется таким, каким является на самом деле. Другими словами, если вы приблизитесь к черной дыре, она будет выглядеть как абсолютно черная дыра на фоне космоса, по границам которой искажается свет.
Для черной дыры массой с Землю эта сфера будет крошечной: порядка 1 сантиметра в радиусе; а для черной дыры массой с Солнце эта сфера будет порядка 3 километров в радиусе. Если масштабировать массу (и размер) до сверхмассивной черной дыры — вроде той, что в центре нашей галактики — вы получите размер планетарной орбиты или гигантскую красную звезду вроде Бетельгейзе.
Что же произойдет, когда вы приблизитесь и в конце концов попадете в черную дыру?
С большого расстояния геометрия увиденного вами будет соответствовать вашим ожиданиям и расчетам. Но по мере продвижения в вашем идеально сконструированном и неразрушимом космическом аппарате, вы начнете замечать нечто странное, подходя к черной дыре. Если разделить расстояние между вами и звездой надвое, угловой размер звезды будет казаться вдвое больше. Если вы сократите расстояние до четверти, он будет в четыре раза больше. Но черные дыры другие.
В отличие от всех других объектов, к которым вы привыкли, которые чем ближе, тем крупнее кажутся, черная дыра растет в размерах гораздо быстрее, благодаря невероятной кривизне пространства.
С нашей точки зрения на Земле, черная дыра в галактическом центре будет казаться крошечной, ее радиус будет измеряться в микродуговых секундах. Но по сравнению с наивным радиусом, который вы рассчитываете в рамках ОТО, он будет казаться на 150% больше из-за искривления пространства. Если вы приблизитесь к нему, к моменту, когда горизонт событий будет размером с полную Луну на небе, он будет в четыре раза больше этого. Причина, конечно, в том, что пространство-время искривляется все сильнее и сильнее, когда вы приближаетесь к черной дыре.
И наоборот, наблюдаемая площадь черной дыры растет все больше и больше; к моменту, когда вы будете в нескольких шварцшильдовских радиусах от нее, черная дыра вырастет до таких размеров, что заслонит собой практически весь передний обзор корабля. Обычные геометрические объекты так себя не ведут.
Когда вы будете приближаться к самой внутренней стабильной круговой орбите — которая составляет 150% радиуса горизонта событий — вы заметите, что передний обзор на вашем корабле станет абсолютно черным. Как только вы пересечете эту точно, даже позади вас все начнет погружаться в темноту. Опять же, это связано с тем, как пути света из разных точек движутся в этом сильно искривленном пространстве-времени.
В этот момент, если вы не пересекли горизонт событий, вы все еще можете выйти. Если вы приложите достаточное ускорение прочь от горизонта событий, вы сможете покинуть его гравитацию и вернуться в безопасное пространство-время подальше от черной дыры. Ваши гравитационные датчики подскажут вам, где нисходящий градиент в направлении центра сменяется плоскостью, где можно увидеть звездный свет.
Но если вы продолжите падение к горизонту событий, вы в конечном итоге увидите, как звездный свет сжимается до крошечной точки позади вас, меняя цвет на синий из-за гравитационного синего смещения. В последний момент, когда вы пересечете горизонт событий, эта точка станет красной, белой, а потом синей, поскольку космический микроволновый и радиоволновой фоны сдвинутся в видимую часть спектра.
И затем… будет тьма. Ничего. Изнутри горизонта событий никакой свет из внешней Вселенной не сможет попасть к вашему кораблю. Теперь вы вспомните о мощных двигателях своего корабля и задумаетесь, как можно было бы сбежать с их помощью из этой ловушки. Вы вспомните, в каком направлении лежала сингулярность, и попробуете определить гравитационный градиент по направлению к ней. Это при условии, что позади вас или перед вами не будет никакой другой материи или света.
Что удивительно, даже если вместе с вами за горизонт событий попадет много света — вы будете видеть «половину» видимой Вселенной — на борту с вами будут также и гравитационные датчики. И как только вы пересечете горизонт событий, со светом или без, произойдет кое-что странное.
Ваши датчики подскажут вам, что гравитационный градиент, который уходит в сторону сингулярности, будет повсюду, во всех направлениях. Даже в противоположном сингулярности направлении.
Как такое возможно?
А вот так, потому что вы за горизонтом событий, прямо в нем. Любой луч света, который вы сейчас излучите, отправится в направлении сингулярности; вы слишком глубоко в нутре черной дыры, чтобы он мог попасть куда-нибудь еще.
Сколько же времени необходимо после преодоления горизонта в сверхмассивной черной дыре, чтобы оказаться в ее центре? Верьте или нет, несмотря на то что горизонт событий может быть световым часом в диаметре в нашей системе отсчета, для достижения сингулярности потребуется всего около 20 секунд. Сильно искривленное пространство — страшная штука.
Хуже всего то, что любое ускорение приблизит вас к сингулярности еще быстрее. Увеличить время выживания на этом этапе невозможно. Сингулярность существует во всех направлениях, куда ни посмотри. Сопротивление бесполезно.