Когда в видеороликах или научно-популярных книгах рассказывается о черный дырах, то постоянно повторяется одно и тоже, упуская одни и те же подробности. Но однобокое упрощение порождает распространенные мифы.
Вот часто рассказывают: из-за того, что время рядом с черной дырой замедляется, внешний наблюдатель может вечно видеть как объект падает в нее. Еще иногда говорится, что падающие успеют увидеть будущее всей Вселенной, перед их глазами пройдут миллиарды лет.
Попробую разъяснить, что из этого мифы, а что обосновано.
Время рядом с черной дырой замедляется и главным видимым последствием этого замедления стает гравитационное красное смещение. Чем ближе к черной дыре тем сильнее свет, уходящий от близких к ней объектов вдаль, смещается в красный конец спектра.
Человеческому зрению доступна очень узкая полоса спектра. И многие догадываются, что падающий объект за короткое время станет выглядеть всё более красным и его можно будет наблюдать только в тепловизор, а потом еще долго будет заметно только размытое пятно слабеющих радиоволн, приходящих всё реже...
Это уже ближе к правде: так оно и есть, если свет исходит от самого падающего объекта. Но если объект освещается из внешнего пространства (например, ближайшими звездами) то получается гораздо интереснее.
Свет, входя в гравитационное поле, испытывает фиолетовое смещение, отражается от падающего объекта и во время возвращения из гравитационной ямы испытывает красное смещение, почти возвращаясь к прежней частоте. Значит, чтобы мы видели объект в видимом диапазоне, в момент отражения он должен быть сильно смещен в ультрафиолетовую или даже в рентгеновскую часть спектра, а эти лучи плохо отражаются почти всеми материалами. Рентгеновское изображение объекта внешнему наблюдателю будет видно в видимом диапазоне, поскольку оно рентгеновское только в момент отражения. Падающий объект станет всё хуже отражать из-за полупрозрачности, становясь всё более похожим на рентгеновский снимок, пока скелет совсем не исчезнет в диапазоне гамма-излучения... Жуть...
Во-вторых, возможно ли из окрестностей черной дыры увидеть далекое будущее Вселенной?
Если речь идет о черных дырах звездной массы то однозначно - нет. При их размерах в несколько километров наблюдатель будет разорван приливными силами гораздо раньше чем успеет чего-то там рассмотреть.
Но если черная дыра вроде тех, что бывают в центрах галактик, это уже интересней.
Допустим, что это спокойная дыра, вокруг которой уже не происходят бурные процессы поглощения материи. Приливные силы этой большой бездны не причинят вреда мелкому объекту, поэтому приближающийся наблюдатель успеет испытать эффекты замедления времени. Но мы уже усвоили, что падающий в сторону черной дыры свет испытывает фиолетовое смещение, причем в той же мере как замедляется время. Достаточно замедлить время в два раза и свет удвоит частоту, сразу уйдя в ультрафиолет. Приближающийся наблюдатель увидит, что свет всей Вселенной стремительно становится всё более ультрафиолетовым, потом и рентгеновским, переходя в проникающую радиацию гамма-излучения. Одновременно, из-за разницы во времени, возрастает и плотность потока, обычный слабый звездный свет сожжет наблюдателя пронизывающим радиоактивным излучением раньше, чем он заглянет в будущее Вселенной всего на несколько месяцев или лет. Что по вселенским меркам почти ничего.
А еще учтите, что в черную дыру еще падают атомы межзвездного газа. В межзвездном и межгалактическом пространстве его очень мало, но немного есть и там.
Есть еще частицы, которые считаются настолько эфемерными, что в обычной жизни о них почти не задумываются. Нейтрино низких энергий всепроникающи, но вот от гравитации черной дыры ускользнуть не могут. Поэтому должны вливаться потоком в гравитационную ловушку. Там с ними может происходить много чего интересного. Этих странностей хватило бы на отдельный рассказ.
Теоретически, нейтрино могут при падении разогнаться настолько близко к скорости света, что станут тоже опасной радиацией. Но это уже не имеет значение для погружающегося в черную дыру, потому что это уже гораздо глубже чем места, где обычный свет становится сжигающим гамма-излучением.
Вид Вселенной из окрестностей черной дыры будет чрезвычайно искажен из-за гравитационного линзирования.
Имеет значение как освещена черная дыра окружающими звездами. Обычно в центрах галактик звезды располагаются густо, их свет быстрее испепелит приближающегося наблюдателя, но если представить, что вокруг черной дыры нет близких звезд, (иногда бывает, что после слияния галактик одна из сверхмассивных черных дыр смещается и далеко не совпадает с центром галактики) то наблюдатель протянет подольше.
Никакой речи о будущих миллиардах лет просто быть не может, даже недалекое будущее придется наблюдать в гамма-диапазоне, одновременно погибая в этом излучении.
Всё это физикам известно давно, но в научно-популярных фильмах и книжках упоминается гораздо реже, чем басни про космонавта, навеки зависшего над горизонтом событий.
Раз уж мы так приблизились, многим захочется спросить, а что внутри черной дыры?
Если подходить к этому вопросу с точки зрения теории относительности, то там нет никакой сингулярности. Еще нет. По времени нашей Вселенной еще ни одна сингулярность не могла образоваться. По крайней мере, в черных дырах не квантовых масштабов.
В работах Стивена Хокинга поверхность черной дыры приравнивалась к энтропии. Как это объяснить проще, без высшей математики, а с помощью аналогий?
Вот вспомним о химических реакциях, большинство из которых обратимы, они не всегда идут до конца. Наиболее необратимы те реакции, продукт которых переходит в другую фазу, например, выпадает из раствора в осадок и поэтому становится недоступен для реакции. В случае с черной дырой горизонт событий - это само воплощение необратимости. Только уже не химических, а физических реакций.
(с) zloradovich 2019-2020
Кстати, в интернете есть визуализации падения в черную дыру, которые не совпадают с описанным здесь. Никакого противоречия в этом нет. В видео показано именно падение с сильным разгоном, когда учитывается еще и специальная теория относительности для релятивистских скоростей. А я здесь умозрительно рассматривал только гравитационные эффекты, медленно приближая наблюдателя.