Minęło kilka tygodni, odkąd na nocnym niebie zaczęły dziać się dziwne rzeczy. Ty, podobnie jak wielu innych, aktywnie śledzisz wiadomości. Mówi prezydent, wspierają go astrofizycy, geolodzy i klimatolodzy. Jest zdenerwowany, ale oddając hołd tradycji, dzieli wiadomości na „złe” i „dobre”. Dobra wiadomość: nie umarliśmy, planeta nie jest zniszczona, nie jest unoszona w kosmos ani nie obraca się w kole grawitacyjnym. Złe to „bardzo interesujące zmiany klimatyczne”. Próba przetrwania w pobliżu czarnej dziury jest jak ucieczka z Titanica - przed zimną śmiercią w oceanie.
Zanim sięgniesz po skrzynkę alarmową lub zaczniesz wariować: nie bój się, to tylko eksperyment myślowy. Czarne dziury to jedno z najbardziej przerażających zjawisk we wszechświecie. Ich ogromny ciężar nagina przestrzeń i czas - oraz nasze rozumienie ich natury - do granic, do jednego punktu. Supermasywne czarne dziury czają się w rdzeniach galaktyk, pochłaniając miliony, miliardy gwiazd.
Co się stanie, jeśli w pobliżu naszego Układu Słonecznego narodzi się lub zostanie odkryta czarna dziura?
Jak w przypadku większości hipotetycznych pytań, diabeł tkwi w drobiazgach. Jak blisko? Skąd? Jaka jest masa?
Należy od razu zauważyć, że nasze słońce nigdy nie stanie się czarną dziurą. Wymaga to masy rzędu wielkości większej niż słońce - 10-15 razy. Wtedy nastąpi kolaps grawitacyjny, pod wpływem grawitacji materia dosłownie zapada się w jeden punkt. Podobne zjawisko występuje u podstaw bomb wodorowych oraz w teorii zimnej syntezy termojądrowej, chyba że grawitacja odgrywa inną rolę. Co więcej, inne gwiazdy w sąsiednich galaktykach nie nadają się do roli potencjalnych czarnych dziur. Większość z nich to czerwone karły i mają masę 8-60% naszego Słońca.
Pozostają dwie możliwości: albo czarna dziura pojawia się spontanicznie w naszym sąsiedztwie, albo pojawia się znikąd. Ale pierwsza, pomimo protestów przeciwko badaniom w Wielkim Zderzaczu Hadronów, jest niemożliwa (dlaczego wyjaśnimy później).
Jeśli chodzi o drugą, astronomowie i astrofizycy potwierdzili istnienie około 2000 wędrujących czarnych dziur, ale szanse, że jedna z nich dotrze do nas, są bliskie zeru. Jak zauważył pisarz Douglas Adams:
„Kosmos jest wspaniały. Po prostu nie możesz zrozumieć, jaki jest niesamowity i oszałamiający. To znaczy, może wydawać się, że droga do apteki jest długa, ale według standardów kosmicznych to są nasiona”.
Film promocyjny:
Oznacza to, że prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest zbyt interesujące, aby nie rozważać go bliżej.
Wpływ czarnych dziur na przestrzeń i czas
Jeśli spojrzysz na czarną dziurę z daleka, będzie ona wyglądać jak każdy inny masywny obiekt. Dopóki znajduje się tuż przed tobą, jest zgodny z prawami mechaniki klasycznej i prawem powszechnej grawitacji Newtona, które głosi, że przyciąganie między dwoma obiektami jest proporcjonalne do ich masy i zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości. Innymi słowy, nie ma różnicy grawitacyjnej między R136a1, „niebieskim” karłem ważącym 265 słońc, a czarną dziurą o tej samej wadze.
Zbliż się do czarnej dziury, aby dostać się do jej pola grawitacyjnego, a będziesz musiał stawić czoła dwóm różnym zestawom reguł. Ogólna teoria względności Einsteina, która pozwala czarnym dziurom zakrzywiać przestrzeń i czas, oraz ekstremalna grawitacja, która doprowadza tę krzywiznę do skrajności.
Jeśli chcesz zbadać czarną dziurę bez opuszczania statku kosmicznego, przekonasz się, że im bliżej środka tej olbrzymiej masy, tym bardziej Twoje silniki będą się obciążać, aby utrzymać Cię na orbicie kołowej. Początkowo małe impulsy z rakiety będą ją stabilizować; ale im dalej pójdziesz, tym więcej energii będziesz musiał wydać, aby nie opuszczać orbity. W rezultacie tylko nieprzerwana praca silników rakietowych oddzieli Cię od niczego pochłaniającego wszystko.
Gdy tylko skończy Ci się paliwo (lub oszalejesz i wyłączysz silniki), przekroczysz horyzont zdarzeń czarnej dziury, granicy, z której nawet światło nie może wrócić. Potem będziesz musiał odpowiedzieć za wszystkie swoje grzechy. Nic nie powstrzyma nieubłaganego ruchu w kierunku osobliwości - jądra nieskończenie skompresowanej przestrzeni i czasu, w którym fizyka, jaką znamy, zwija się w kulkę i jęczy.
W miarę postępów czas zwalnia. Bardzo. Z twojego punktu widzenia nic się nie zmieni, ale Twoi znajomi obserwujący twoją sztuczkę będą widzieć jak rozmyta błyskawica. Ale tylko do horyzontu zdarzeń - światło nie wychodzi poza niego, co oznacza, że nikt Cię nie widzi. Doskonała zbrodnia, prawda?
Grawitacyjne zakrzywienia czasu są dość powszechne, ale zbyt słabe, aby można je było zauważyć. Na przykład na Ziemi, żyjąc miliard lat na poziomie morza, będziesz o sekundę młodszy od swojego rówieśnika, który mieszkał na szczycie Everestu. Podobno czas boi się piramid, ale trzeba spędzać zbyt dużo czasu opierając o nie policzek, aby poczuć, jak czas w Paryżu zwalnia.
Czas kręci się w czarnej dziurze. Kiedy mówimy, że nie da się uniknąć wpadnięcia w osobliwość, oznacza to nie tylko nieubłagane działanie grawitacji czy zniekształcenie przestrzeni. Czas w czarnej dziurze skraca się do tego stopnia, że ścieżka do osobliwości staje się dosłownie twoją przyszłością. Ucieczka od osobliwości będzie jak próba zatrzymania czasu.
Czy chcesz wiedzieć, co się stanie w naszym Układzie Słonecznym, jeśli uda mu się dostać w taki wir sił? Czytaj.
Dzień sądu
Załóżmy, że czarna dziura jest uwięziona w układzie podwójnym, obejmując gwiazdę, która ma stać się supernową. Nagle zdarza się, że gigant grawitacyjny strzela w naszym kierunku z prędkością kilkudziesięciu i setek kilometrów na sekundę. Skąd o tym wiemy?
Odpowiedź jest prosta: nie będziemy wiedzieć, dopóki się z czymś nie zderzy, ponieważ masywna grawitacja czarnych dziur nawet nie uwalnia światła. Zamiast więc szukać czarnego pieprzu na czarnym dywanie, spójrzmy na kilka sposobów, które pomogą nam bezpośrednio zidentyfikować czarną dziurę.
Po pierwsze, materia rozerwana przez czarną dziurę będzie emitować promieniowanie, gdy dysk akrecyjny się obraca. Przestrzeń wokół będzie świecić jak naszyjnik z lampionów noworocznych noszonych przez kota (dziwna fantazja, ale niech tak będzie).
Po drugie, zniekształcenie przestrzeni wokół czarnych dziur można wykryć metodami ziemskimi. Jest to soczewkowanie grawitacyjne przewidywane przez ogólną teorię względności Einsteina. Efekt objawia się w pobliżu masywnych obiektów i jest rejestrowany przez astronomów.
Ale nawet w idealnych warunkach znalezienie czarnej dziury w ten sposób będzie trudniejsze niż znalezienie pcheł na psie łaciatym w nocy przez lornetkę. Z opaską na oko. Aby soczewka grawitacyjna zakończyła się sukcesem, między nami a gwiazdą musi przejść czarna dziura. A potem nadal musimy mieć szczęście.
Ponadto czarna dziura może dać się odczuć, jeśli oddziałuje grawitacyjnie z ciałami niebieskimi, takimi jak planety, gwiazdy, asteroidy i komety, co ponownie prowadzi nas do kluczowego pytania: jak blisko będzie zlokalizowana nasza hipotetyczna czarna dziura, położona w sąsiedztwie?
Oczywiście im bliżej, tym bardziej niebezpiecznie. Gdy orbity planet i księżyców zbliżają się, będą tańczyć salsę jak wróbel złapany w pajęczynę, ciągnąc krzywe orbity i zakłócając porządek, który próbowali uporządkować od czasów Mikołaja Kopernika.
Tutaj, na Ziemi, przypływy i odpływy oraz kolor nieba zmieniłyby się. Jeśli grawitacja, zgodnie z rozkazem Żyrinowskiego, przesunie orbitę planety dalej od Słońca, przybliży ją, uczyni ją bardziej eliptyczną, w najlepszym przypadku będziemy cierpieć z powodu zmian temperatury i dziwnych pór roku. W najgorszym przypadku (oprócz stania się częścią czarnej dziury) Ziemia może wpaść w Słońce lub wyruszyć w długą podróż w głąb kosmosu, skazując nas wszystkich na zimną śmierć.
Słynny astrofizyk Neil de Grasse Tyson kiedyś zwięźle wyraził problemy, które mogłyby się pojawić, gdyby w pobliżu pojawił się „czarny gość”:
„Jeśli odwiedzimy czarną dziurę, układ słoneczny będzie miał zły dzień”.
Cóż, nie przesuwajmy się z nogi na nogę przed horyzont zdarzeń i nie nurkujmy w końcu.
Kontakt: dobre i złe wieści
W języku rosyjskim istnieje sześcioliterowe słowo, które najlepiej opisałoby to, co nas czeka. Nazwijmy to zgubą. Naukowcy nauczyli się dzielić przez zero i znaleźliśmy się w czarnej dziurze. Nawet Bruce Willis z odważną załogą naftowców, specjalnie przeszkolonych w Czelabińsku, by nas nie uratował.
Gdyby w pobliżu Neptuna pojawiła się czarna dziura, od razu byśmy to poczuli. Naukowcy znają orbitę Neptuna tak dobrze, że potrafią wykryć nawet odchylenie 1 sekundy łukowej (jednostka miary kątowej). Zwykła czarna dziura o masie dziesięciu słońc, lecąca z prędkością 300 km / s, dawałaby sobie kolejną dziesiątą część roku świetlnego.
A oto ostatnia dobra wiadomość: czarna dziura tego rozmiaru da nam co najmniej 100 lat na dokończenie naszych ziemskich spraw. Być może niebezpieczeństwo tej wielkości zakończy wszystkie ziemskie wojny lub zapoczątkuje jedną globalną. Może ludzkość zdąży sama się zniszczyć, gdy tylko się tego nauczy za sto lat - wszystko, kaput. To jeszcze nie ma znaczenia. Jeśli dziura porusza się wolniej, fatalny czas oczekiwania wydłuży się dziesięciokrotnie. A potem powinno być wystarczająco dużo czasu, aby zbudować arkę lub zebrać planetarną walizkę z rzeczami.
Gdy zbliża się do Neptuna, czarna śmierć wyciąga gazowego olbrzyma z orbity. Planeta zaczyna zachowywać się dziwnie: gdy oddala się od nas, następuje przesunięcie ku czerwieni - długość fali jej promieniowania, w tym światła, przechodzi w czerwone widmo. Gdy tylko Neptun znajdzie się za czarną dziurą, soczewka grawitacyjna zostaje przeciągnięta na czarną kulę i opływa ją. Kiedy planeta pojawia się ponownie, już przed nami, jej kolory ulegają przesunięciu na niebiesko - długość fali dociera do tego końca widma.
Przemieszczenie się czerwonego i niebieskiego z reguły jest konsekwencją usunięcia lub zbliżenia się obiektu gwiazdowego względem nas. Wygląda jak efekt Dopplera podczas jazdy karetką w pobliżu.
W tym samym czasie, gdy czarna dziura „zjada” planetę, gaz skręci się w spiralę grawitacyjną, jak cukier podczas tworzenia waty cukrowej. Z naszego punktu widzenia spirala na zawsze wejdzie w horyzont zdarzeń. Ale światło wyemitowane przez śmierć Neptuna zostanie odbite od czarnej dziury w negatywie, jak korona słoneczna podczas zaćmienia.
Im bliżej Ziemi znajduje się czarna dziura, tym bardziej otaczający ją efekt zniekształceń będzie się objawiał, jak w zakrzywionym lustrze. Wszystkie teleskopy zobaczą tylko pustkę w środku czarnej dziury.
Jeśli nasza czarna śmierć jest supermasywną czarną dziurą, historia już się skończy - jej horyzont zdarzeń będzie pięć razy większy niż Układ Słoneczny. Ale to jest nudne. Zobaczmy, jak jeden z tych potworów wygląda od wewnątrz.
Koniec świata lub przez lustro
Wspinasz się do króliczej nory, wiedząc, że Twoja znajomość z nim będzie bardzo krótka. Mamy nadzieję, że zdążymy przynajmniej ocenić wnętrze czarnej dziury. Na szczęście dla nas, ale niestety dla Układu Słonecznego, ta czarna dziura jest supermasywna. Zmieniliśmy zasady, ale gdybyśmy tego nie zrobili, to by się skończyło z jakiegoś powodu.
W małej czarnej dziurze - powiedzmy o masie 30 słońc - siły pływowe wywołane wzrostem grawitacji rozerwałyby nas na strzępy na długo przed osiągnięciem horyzontu zdarzeń. Ale tam grawitacja jest gdzieś około miliona Ziem. Aby cieszyć się zwycięstwem - w końcu osiągnęliśmy horyzont zdarzeń - nie będziemy mieli nawet 0,0001 sekundy.
Zupełnie inne doświadczenie czeka nas w supermasywnej czarnej dziurze o masie 5 milionów słońc, takiej jak ta w centrum naszej galaktyki. Każda czarna dziura, która pochłonęła masę ponad 30 tysięcy słońc, ma siły pływowe z grawitacją mniejszą niż jedna Ziemia na horyzoncie zdarzeń. Będziemy mieć 16 sekund na rozejrzenie się (i zmianę zasad gry), zanim dotrzemy do punktu osobliwości. Im większa masa, tym więcej czasu.
Przekraczanie horyzontu zdarzeń jest jak zasypianie lub zakochiwanie się: trudno jest określić punkt wyjścia, kiedy to się stanie, ale potem twoje poczucie rzeczywistości będzie zupełnie inne. W czarnej dziurze zobaczysz gwiazdy (światło wpada, ale nie odwrotnie), ale przestrzeń wokół ciebie będzie przypominać bańkę mydlaną.
Cóż, po tym, jak zostaniesz zmiażdżony w nicość, znajdziesz się w punkcie o nieskończonej krzywizny, w którym czas i przestrzeń, które znamy, dobiegają końca.
Ilya Khel