Что находится за горизонтом событий
На что похоже падение в черную дыру? Что вы увидите?
Вселенная по-разному уничтожает что-либо. Если вы попытаетесь задержать дыхание в космосе, ваши легкие взорвутся; если вместо этого вы вдохнете каждую молекулу воздуха, вы потеряете сознание. В некоторых местах вы замерзнете, лишившись последнего тепла своего тела; в других будет настолько жарко, что атомы вашего тела превратятся в плазму. Но из всех способов, которыми Вселенная избавляется от объектов, самый увлекательный — отправить его в черную дыру.
Визуализация попадания в черную дыру.
Что находится за горизонтом событий?
Согласно нашей теории гравитации — общей теории относительности Эйнштейна — свойства черной дыры определяются тремя вещами. А именно:
В реальности, все черные дыры, которые физически существуют в нашей Вселенной, должны иметь большие массы, значительное количество угловых моментов и незначительные заряды. Это чрезвычайно усложняет ситуацию.
Искажения в черной дыре могут выглядеть так.
Когда мы обычно представляем черную дыру, мы воображаем простой ее вариант, который описывается только ее массой. У него есть горизонт событий, окружающий одну точку, и область, окружающая эту точку, за пределы которой свет не может выйти. Эта область совершенно сферическая и имеет границу, разделяющую области, из которой свет может вырваться и из которой не может: горизонт событий. Горизонт событий находится на определенном расстоянии (радиус Шварцшильда) от сингулярности во всех направлениях одновременно.
Это упрощенная версия реалистичной черной дыры, но прекрасное место, с которого можно начать размышлять о физике, происходящей в двух разных местах: за горизонтом событий и внутри горизонта событий.
За пределами горизонта событий гравитация ведет себя так, как вы обычно ожидаете. Пространство искривляется в присутствии массы, что заставляет каждый объект во Вселенной испытывать ускорение в направлении центральной сингулярности. Если бы вы оказались на большом расстоянии от черной дыры в состоянии покоя и позволили предмету упасть в нее, что бы вы увидели?
Если предположить, что вам удалось сохранить неподвижность, вы увидите, как падающий объект медленно ускоряется от вас к этой черной дыре. Он ускорится к горизонту событий, после чего произойдет нечто странное. Вам покажется, что он замедляется, затухает и становится краснее. Но он не исчезнет полностью. Он лишь приблизится к этому: станет тусклым, красным и сложнее обнаружимым. Вы всегда сможете его увидеть, если будете смотреть достаточно пристально.
Теперь вообразим тот же сценарий, но в этот раз представим, что вы и есть тот самый падающий в черную дыру объект. Опыт происходящего будет совершенно другим.
Горизонт событий будет становится больше гораздо быстрее, чем вы ожидали, поскольку искривление пространства будет становится сильнее. Вокруг горизонта событий пространство настолько искривлено, что вы увидите множество изображений вселенной, которая находится извне, словно ее отразили и перевернули.
И как только вы пересечете горизонт событий, вы не только все еще сможете видеть внешнюю вселенной, но и часть вселенной внутри горизонта событий. В последние моменты пространство будет выглядеть совершенно плоским.
Что находится в черной дыре?
Физика всего этого сложна, но вычисления довольно просты и элегантнее всего выполнены Эндрю Хэмилтоном из Университета Колорадо в серии работ конца 2000-х — начала 2010-х годов. Хэмилтон также создал серию впечатляющих визуализаций того, что вы увидите, упав в черную дыру, основываясь на этих расчетах.
Изучив эти результаты, мы можем извлечь ряд выводов, многие из которых нелогичны. Чтобы попытаться их осмыслить, нужно изменить способ представления пространства. Обычно мы думаем о нем как о неподвижной ткани и считаем, что наблюдатель куда-то «спускается». Но внутри горизонта событий вы всегда в движении. Пространство движется — как беговая дорожка — непрерывно, перемещая все в себе к сингулярности.
И оно перемещает все так быстро, что даже если вы ускоритесь прямо от сингулярности с бесконечной силой, вы все равно упадете к центру. Объекты, находящиеся за пределами горизонта событий, все так же будут посылать вам свет со всех сторон, но вы сможете увидеть лишь часть объектов из-за горизонта событий.
Линия, которая определяет границу между тем, что может увидеть любой наблюдатель, математически описывается кардиоидой, где компонент с наибольшим радиусом касается горизонта событий, а компонент наименьшего радиуса оказывается в сингулярности. Это значит, что сингулярность, даже будучи точкой, не обязательно связывает все, что в нее попадает, со всем остальным. Если вы и я упадем в горизонт событий с разных сторон одновременно, мы никогда не увидим свет друг друга после того, как произойдет пересечение горизонта событий.
Причиной этого является постоянно движущаяся ткань самой Вселенной. Внутри горизонта событий пространство движется быстрее света, поэтому ничто не может вырваться из черной дыры. Вот почему, попав в черную дыру, вы начинаете видеть странные вещи вроде нескольких изображений одного и того же объекта.
Где сингулярность?
Изнутри горизонта событий черной дыры, в каком направлении вы бы ни двигались, вы в конечном итоге сталкиваетесь с самой сингулярностью. Поэтому, как ни странно, сингулярность появляется во всех направлениях. Если ваши ноги указывают в направлении ускорения, вы увидите их перед собой, но также и над собой. Все это легко просчитывается, хоть и чрезвычайно нелогично. И это только для упрощенного случая: невращающейся черной дыры.
А теперь давайте перейдем к физически интересному случаю: когда черная дыра вращается. Черные дыры обязаны своим происхождением системам из вещества — вроде звезд — которые всегда вращаются на каком-то уровне. В нашей Вселенной (и в общей теории относительности) угловой момент представляет собой абсолютную заключенную величину для любой закрытой системы; нет никакого способа от него избавиться. Когда совокупность вещества коллапсирует до радиуса, который меньше радиуса горизонта событий, угловой момент оказывается заключенным внутри него, как и масса.
Сингулярность и горизонт событий.
Решение, которое мы имеем здесь, будет намного сложнее. Эйнштейн представил общую теорию относительности в 1915 году, а Карл Шварцшильд получил решение по невращающейся черной дыре пару месяцев спустя, в начале 1916 года. Но следующий шаг в моделировании этой проблемы более реалистичным способом — когда черная дыра обладает угловым моментов, а не только массой — был предпринят только в 1963 году, когда Рой Керр нашел точное решение в 1963 году.
Существует несколько фундаментальных и важных различий между более наивным и простым решением Шварцшильда и более реалистичным и сложным решением Керра. Среди них:
Учитывая все это, что произойдет, когда вы попадете в черную дыру? Да то же самое, что произойдет, если вы попадете в невращающуюся черную дыру, за исключением того, что все пространство не ведет себя так, будто падает в направлении центральной сингулярность. Вместо этого, пространство также ведет себя так, будто перемещается вдоль направления вращения, как закручивающаяся воронка. Чем больше отношение углового момента к массе, тем быстрее она вращается.
Что можно увидеть в черной дыре
Это означает, если вы видите, как что-то падает в черную дыру, вы увидите, что оно становится более тусклым и красным, но также размазанным в кольцо или диск по направлению вращения. Если вы упадете в черную дыру, вас закрутит, как на карусели, которая притягивает вас к центру. И когда вы достигнете сингулярности, она будет кольцом; разные части вашего тела встретятся с сингулярностью — на внутренней эргоповерхности черной дыры Керра — в разных пространственных координатах. Вы постепенно перестанете видеть другие части вашего собственного тела.
Первая в мире фотография черной дыры.
Самое важное, что вы должны уяснить из этого всего — это то, что ткань самого пространства находится в движении, а горизонт событий определяется как место, в котором даже если вы будете двигаться на скорости света, какое бы направление вы ни выбрали, вы неизбежно столкнетесь с сингулярностью.
Визуализации Эндрю Хэмилтона — это наилучшие и самые точные модели того, что происходит при падении в черную дыру, и настолько нелогичные, что их нужно просматривать снова и снова, пока не начнешь что-то понимать (на самом деле не начнешь). Это жутко и красиво, и если вы достаточно авантюрны, чтобы когда-либо прилететь к черной дыре и пересечь горизонт событий, это будет последним, что вы когда-либо видели.
Что такое горизонт событий?
Горизонт событий можно описать простым языком как точку невозврата. Это космическая тюрьма, из которой даже сам свет никогда не сможет выбраться, порог, за которым никакие события не могут повлиять на наблюдателя. Чтобы более детально понять, как концептуализируется горизонт событий, нужно говорить в контексте астрофизики, а именно теории общей относительности и черных дыр, с которыми тесно связано понятие о горизонте событий.
Точка невозврата
Горизонт событий является частью черной дыры, его можно представить как внешнее кольцо, окружающее черную дыру, и если конкретный объект проходит мимо этого внешнего кольца, он больше никогда не сможет вернуться. Похоже, что оно «прилипло» к глазам наблюдателя. Как именно теория относительности Альберта Эйнштейна играет в этом роль? Законы общей относительности гласят, что гравитационные тяготения черных дыр настолько сильны, что ни один объект не может от них ускользнуть.
Как утверждает Эйнштейн, нет ничего, что может путешествовать быстрее скорости света. Как только что-то входит в это кольцо вокруг черной дыры, которую мы называем горизонтом событий, необходимая скорость для побега начинает превышать скорость света. Но если скорость света самая высокая, как можно избежать этого? Никак, поэтому мы называем это точкой невозврата. Чем ближе кто-то или что-то приближается к центру черной дыры, тем быстрее увеличивается скорость, необходимая для побега.
Что такое квазар?
Если мы посмотрим на галактику нашей собственной Солнечной системы, Млечный Путь, то в ее центре есть черная дыра, масса которой равна массе 250 0000 Солнца, а горизонт событий простирается на многие миллионы километров. Важно заметить, что на самом деле никто никогда не видел черную дыру. Тем не менее физики убеждены в их существовании.
Единственное, что мы на самом деле можем видеть, это то, что называется аккреционным диском. Это дискообразный поток различных космических материалов, таких как газ и пыль, который подошел достаточно близко к черной дыре, но достаточно далеко, чтобы не упасть в нее. Эти галоподобные вещества, окружающие черную дыру, также называют квазарами, неологизмом, состоящим из «квазизвездного радиоисточника». Они называются так потому, что квазары были впервые обнаружены как радиоисточники. Они также являются одним из древнейших тел во Вселенной, а также самыми дальними и яркими объектами, которые мы можем видеть.
Путешествие к центру чёрной дыры. Что ждет человека за горизонтом событий?
Наверняка многие задумывались, что ждёт человека, если ему всё-таки удастся попасть в чёрную дыру и заглянуть за горизонт событий. Если отбросить миллиарды световых лет, на расстоянии которых от нашей планеты находятся ближайшие черные дыры, и представить, что лететь до неё не так уж и долго, то путешествие в чёрную дыру окажется последним в жизни человека. А всё дело в том, что гравитация в ней настолько велика, что даже фотоны света не способны её покинуть, куда уж там обычному человеку.
Всё дело в том, что в чёрной дыре не действуют привычные нам законы физики. Ещё Альберт Эйнштейн заявлял, что невероятно сильная гравитация буквально искривляет пространство, из-за чего вокруг любого объекта достаточной плотности, например человека, пространственно-временной континуум может очень сильно деформироваться. Иными словами в самой реальности образуется дыра.
По мере продвижения человека по чёрной дыре к её центру, пространство-время вокруг него будет продолжать искривляться всё сильнее и в самом её центре станет бесконечно искривленным. Эта точка называется гравитационная сингулярность. В ней пространство и время перестают иметь какое-либо значение, а привычне нам законы физики здесь больше не действуют.
За горизонтом событий: Мир из черной дыры
Зрелищное исследование, посвященное физике черных дыр, провели Эндрю Гамильтон (Andrew Hamilton) и Гэвин Полемус (Gavin Polhemus). Они не просто нарисовали воображаемую трехмерную модель событий, происходящих у самой границы черной дыры и дальше, в ее недрах, но создали настоящие картины релятивистской модели этого процесса. Итак, что же там, за горизонтом?
Но прежде стоит напомнить, что в случае черной дыры речь идет о горизонте событий. Упрощенно говоря, это воображаемая граница, до которой мы еще можем видеть события и хотя бы теоретически повлиять на них, но после которой материя начинает падать в черную дыру — и перейдя которую ничто, даже свет, уже не может вернуться обратно.
Черная дыра характеризуется всего тремя параметрами — массой, зарядом и спином. Они считаются едва ли не самыми «простыми» объектами, намного проще звезд или планет. Именно это и позволило создать впечатляющие картинки: для других тел подобные расчеты плка невозможны. И то — в работе ученые использовали простейший вид черной дыры, не имеющей ни заряда, ни спина. Геометрия окружающего пространства определяется только одним: массой сферической черной дыры.
В этом пространстве можно выделить четыре зоны (взгляните на иллюстрацию слева). Первая — еще вполне безопасная, в которой круговые орбиты других тел не нарушаются, и они могут оставаться там сколько угодно долго. Но представим, что мы направились дальше. Мы попадем во вторую зону, круговые орбиты здесь нестабильны, а затем и в третью, где притяжение черной дыры уже начинает засасывать в себя все подряд. Чтобы оставаться в этой зоне, придется постоянно держать включенными двигатели звездолета. Иначе нас ждет красная зона за горизонтом событий — отсюда уже ничто не выберется.
Но работа эта отнюдь не чисто «увеселительная», из нее ученые делают и вполне серьезные выводы. Такие вычисления помогают лучше понять, как действуют известные физические законы в недоступных недрах черных дыр, и как они меняются с переходом через горизонт событий.
А в остальном — приглашаем посмотреть картинки.
Картинка первая
Вверху: Если позади черной дыры находится яркий объект, свет от него будет сильно отклоняться из-за гравитационного линзирования, и нам из звездолета будет видно только светящееся кольцо. Внизу: У настоящей черной дыры координатной сетки, конечно, нет. Но если мы спроецируем ее на дыру на экране нашего звездолета, то увидим одновременно оба ее полюса — и все из-за того же линзирования.
Что находится за горизонтом событий?
24-06-2019, 13:59 | Наука и техника / Космические исследования | разместил: Редакция ОКО ПЛАНЕТЫ | комментариев: (0) | просмотров: (4 169)
Вселенная по-разному уничтожает что-либо. Если вы попытаетесь задержать дыхание в космосе, ваши легкие взорвутся; если вместо этого вы вдохнете каждую молекулу воздуха, вы потеряете сознание. В некоторых местах вы замерзнете, лишившись последнего тепла своего тела; в других будет настолько жарко, что атомы вашего тела превратятся в плазму. Но из всех способов, которыми Вселенная избавляется от объектов, самый увлекательный — отправить его в черную дыру.
Что находится за горизонтом событий?
Согласно нашей теории гравитации — общей теории относительности Эйнштейна — свойства черной дыры определяются тремя вещами. А именно:
В реальности, все черные дыры, которые физически существуют в нашей Вселенной, должны иметь большие массы, значительное количество угловых моментов и незначительные заряды. Это чрезвычайно усложняет ситуацию.
Когда мы обычно представляем черную дыру, мы воображаем простой ее вариант, который описывается только ее массой. У него есть горизонт событий, окружающий одну точку, и область, окружающая эту точку, за пределы которой свет не может выйти. Эта область совершенно сферическая и имеет границу, разделяющую области, из которой свет может вырваться и из которой не может: горизонт событий. Горизонт событий находится на определенном расстоянии (радиус Шварцшильда) от сингулярности во всех направлениях одновременно.
Это упрощенная версия реалистичной черной дыры, но прекрасное место, с которого можно начать размышлять о физике, происходящей в двух разных местах: за горизонтом событий и внутри горизонта событий.
За пределами горизонта событий гравитация ведет себя так, как вы обычно ожидаете. Пространство искривляется в присутствии массы, что заставляет каждый объект во Вселенной испытывать ускорение в направлении центральной сингулярности. Если бы вы оказались на большом расстоянии от черной дыры в состоянии покоя и позволили предмету упасть в нее, что бы вы увидели?
Если предположить, что вам удалось сохранить неподвижность, вы увидите, как падающий объект медленно ускоряется от вас к этой черной дыре. Он ускорится к горизонту событий, после чего произойдет нечто странное. Вам покажется, что он замедляется, затухает и становится краснее. Но он не исчезнет полностью. Он лишь приблизится к этому: станет тусклым, красным и сложнее обнаружимым. Вы всегда сможете его увидеть, если будете смотреть достаточно пристально.
Теперь вообразим тот же сценарий, но в этот раз представим, что вы и есть тот самый падающий в черную дыру объект. Опыт происходящего будет совершенно другим.
Горизонт событий будет становится больше гораздо быстрее, чем вы ожидали, поскольку искривление пространства будет становится сильнее. Вокруг горизонта событий пространство настолько искривлено, что вы увидите множество изображений вселенной, которая находится извне, словно ее отразили и перевернули.
И как только вы пересечете горизонт событий, вы не только все еще сможете видеть внешнюю вселенной, но и часть вселенной внутри горизонта событий. В последние моменты пространство будет выглядеть совершенно плоским.
Что находится в черной дыре?
Физика всего этого сложна, но вычисления довольно просты и элегантнее всего выполнены Эндрю Хэмилтоном из Университета Колорадо в серии работ конца 2000-х — начала 2010-х годов. Хэмилтон также создал серию впечатляющих визуализаций того, что вы увидите, упав в черную дыру, основываясь на этих расчетах.
Изучив эти результаты, мы можем извлечь ряд выводов, многие из которых нелогичны. Чтобы попытаться их осмыслить, нужно изменить способ представления пространства. Обычно мы думаем о нем как о неподвижной ткани и считаем, что наблюдатель куда-то «спускается». Но внутри горизонта событий вы всегда в движении. Пространство движется — как беговая дорожка — непрерывно, перемещая все в себе к сингулярности.
И оно перемещает все так быстро, что даже если вы ускоритесь прямо от сингулярности с бесконечной силой, вы все равно упадете к центру. Объекты, находящиеся за пределами горизонта событий, все так же будут посылать вам свет со всех сторон, но вы сможете увидеть лишь часть объектов из-за горизонта событий.
Линия, которая определяет границу между тем, что может увидеть любой наблюдатель, математически описывается кардиоидой, где компонент с наибольшим радиусом касается горизонта событий, а компонент наименьшего радиуса оказывается в сингулярности. Это значит, что сингулярность, даже будучи точкой, не обязательно связывает все, что в нее попадает, со всем остальным. Если вы и я упадем в горизонт событий с разных сторон одновременно, мы никогда не увидим свет друг друга после того, как произойдет пересечение горизонта событий.
Причиной этого является постоянно движущаяся ткань самой Вселенной. Внутри горизонта событий пространство движется быстрее света, поэтому ничто не может вырваться из черной дыры. Вот почему, попав в черную дыру, вы начинаете видеть странные вещи вроде нескольких изображений одного и того же объекта.
Можно понять это, задав вопрос: где сингулярность?
Изнутри горизонта событий черной дыры, в каком направлении вы бы ни двигались, вы в конечном итоге сталкиваетесь с самой сингулярностью. Поэтому, как ни странно, сингулярность появляется во всех направлениях. Если ваши ноги указывают в направлении ускорения, вы увидите их перед собой, но также и над собой. Все это легко просчитывается, хоть и чрезвычайно нелогично. И это только для упрощенного случая: невращающейся черной дыры.
А теперь давайте перейдем к физически интересному случаю: когда черная дыра вращается. Черные дыры обязаны своим происхождением системам из вещества — вроде звезд — которые всегда вращаются на каком-то уровне. В нашей Вселенной (и в общей теории относительности) угловой момент представляет собой абсолютную заключенную величину для любой закрытой системы; нет никакого способа от него избавиться. Когда совокупность вещества коллапсирует до радиуса, который меньше радиуса горизонта событий, угловой момент оказывается заключенным внутри него, как и масса.
Решение, которое мы имеем здесь, будет намного сложнее. Эйнштейн представил общую теорию относительности в 1915 году, а Карл Шварцшильд получил решение по невращающейся черной дыре пару месяцев спустя, в начале 1916 года. Но следующий шаг в моделировании этой проблемы более реалистичным способом — когда черная дыра обладает угловым моментов, а не только массой — был предпринят только в 1963 году, когда Рой Керр нашел точное решение в 1963 году.
Существует несколько фундаментальных и важных различий между более наивным и простым решением Шварцшильда и более реалистичным и сложным решением Керра. Среди них:
Учитывая все это, что произойдет, когда вы попадете в черную дыру? Да то же самое, что произойдет, если вы попадете в невращающуюся черную дыру, за исключением того, что все пространство не ведет себя так, будто падает в направлении центральной сингулярность. Вместо этого, пространство также ведет себя так, будто перемещается вдоль направления вращения, как закручивающаяся воронка. Чем больше отношение углового момента к массе, тем быстрее она вращается.
Это означает, если вы видите, как что-то падает в черную дыру, вы увидите, что оно становится более тусклым и красным, но также размазанным в кольцо или диск по направлению вращения. Если вы упадете в черную дыру, вас закрутит, как на карусели, которая притягивает вас к центру. И когда вы достигнете сингулярности, она будет кольцом; разные части вашего тела встретятся с сингулярностью — на внутренней эргоповерхности черной дыры Керра — в разных пространственных координатах. Вы постепенно перестанете видеть другие части вашего собственного тела.
Самое важное, что вы должны уяснить из этого всего — это то, что ткань самого пространства находится в движении, а горизонт событий определяется как место, в котором даже если вы будете двигаться на скорости света, какое бы направление вы ни выбрали, вы неизбежно столкнетесь с сингулярностью.
Визуализации Эндрю Хэмилтона — это наилучшие и самые точные модели того, что происходит при падении в черную дыру, и настолько нелогичные, что их нужно просматривать снова и снова, пока не начнешь что-то понимать (на самом деле не начнешь). Это жутко и красиво, и если вы достаточно авантюрны, чтобы когда-либо прилететь к черной дыре и пересечь горизонт событий, это будет последним, что вы когда-либо видели.