Прыгаем в чёрную дыру (ScienceCLic)

Горизонт событий черной дыры и часовое погружение Черная дыра - это сферическая область пространства-времени, горизонт событий которой отделяет внешнее пространство от внутреннего, куда не может проникнуть даже свет. Вблизи созвездия Стрельца А* в центре Млечного Пути начинается свободное падение, в то время как корабль остается на орбите для наблюдения. Спуск продлится около часа и закончится фатально, показывая, как экстремальная гравитация влияет на то, что мы видим.

Пылающий аккреционный диск: излучение, голубое свечение и линзирование Сверхмассивная черная дыра захватывает звезды и газ в плотный плазменный диск, вращающийся со скоростью, близкой к скорости света, нагреваемый турбулентностью и трением и испускающий интенсивное видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма‑излучение. Защитные элементы включают в себя термозащитный костюм и радиационный щиток с фильтром, благодаря чему детали и звезды на заднем плане остаются видимыми. В видимом свете диск кажется голубым, потому что в его излучении преобладают более короткие длины волн, и одна сторона выглядит ярче, а противоположная - тусклее из-за релятивистских доплеровских сдвигов, вызванных вращением. Сильная гравитация искривляет свет, поэтому дальняя сторона диска превращается в яркое кольцо вокруг горизонта, а свет звезд на заднем плане слегка смещен в синюю сторону, потому что наше время течет медленнее, чем у далеких звезд.

Релятивистская аберрация и исчезающий диск вблизи самой внутренней стабильной орбиты В течение первых десяти минут из‑за аберрации, вызванной движением, кажется, что черная дыра сжимается даже при уменьшении расстояния, направляя поступающий свет в прямом направлении. После этого скорость достигает примерно 4% световой, и черная дыра увеличивается в размерах; свет впереди становится ярче, а позади тускнеет - еще один эффект Доплера. Оглядываясь назад, мы видим, что корабельные часы тикают медленнее, потому что сигналы, которые они излучают, доходят до нас дольше. Через несколько минут мы пересекаем диск; примерно через 57 минут свечение исчезает в радиусе, где материя больше не может стабильно вращаться по орбите, и начинает быстро вращаться по спирали внутрь. С этого момента все ускоряется.

Фотонная сфера и невиданное пересечение Еще через две минуты мы пройдем половину предыдущего расстояния до горизонта; за пределами фотонной сферы любому входящему свету суждено упасть внутрь, и именно на ее границе свет может вращаться вокруг черной дыры. Для наблюдателей на корабле наше изображение тускнеет и замедляется, асимптотически застывая на горизонте событий, потому что нашему свету требуется все больше времени, чтобы выйти наружу. Мы, однако, пересекаем горизонт примерно через 24 секунды после прохождения фотонной сферы и никогда не сможем вернуться.

За горизонтом: Обычная местная физика и сжатое небо Момент пересечения не отмечен ничем примечательным; свет от далеких звезд, которые падали вместе с нами, все еще достигает нас, и орбитальный корабль остается видимым, хотя его часы, кажется, замедлились. Локальное пространство-время остается почти плоским, поэтому привычное поведение сохраняется, и даже свет, излучаемый под нашими глазами, может перемещаться вверх относительно нашего тела, чтобы достичь нашего взгляда. Темный силуэт черной дыры занимает лишь около 15% нашего поля зрения, в то время как релятивистская аберрация сжимает небо впереди и расширяет его сзади. Корабль позади нас, кажется, даже увеличивается в угловых размерах по мере того, как в поле нашего зрения попадает свет, но любой сигнал, который мы посылаем вовне, больше не может ускользнуть.

Спагеттификация, неизвестные ядра и исправление мифов Примерно через 30 секунд, непосредственно перед центром, усиливается гравитация, растягивая и разрывая тело в виде спагетти, как будто оно падает на плоскую, абсолютно черную поверхность, в то время как круг света становится все ярче. Через десятую долю секунды после этого разорванные остатки достигают центра, где современная физика терпит неудачу: сингулярности подразумевают бесконечную кривизну, но многие подозревают, что они являются артефактами неполной теории. Понимание этого режима требует объединения гравитации с квантовой физикой, а вращающиеся черные дыры могут создавать множество горизонтов и нестабильностей, последствия которых остаются неясными. Исправлены два распространенных заблуждения: в видимом свете аккреционный диск синий (на оранжевых изображениях используется ложный цвет для придания яркости), и мы не наблюдаем, как разворачивается вся история Вселенной, потому что в поле зрения доминируют доплеровские сдвиги и аберрации. В сердце черной дыры таится множество тайн.