Четыре условные «зоны» в пространстве вокруг черной дыры: зеленая — безопасная, в желтой круговые орбиты начинают искажаться, в оранжевой начинается падение в черную дыру, а из красной уже нет спасения

Первая картинка: дыра еще далеко

Вторая картинка: к горизонту событий

Третья картинка: за горизонтом

Четвертая картинка: это конец

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.

Картинка вторая

Вверху : На расстоянии примерно в 1,5 раза большем радиуса дыры имеется фотонная сфера — область, в которой частицы света, теоретически, могут оставаться на постоянной круговой орбите. На практике, они там надолго не задерживаются. Внизу : Пересекая горизонт событий, можно ожидать, что мы пересечем пространственную сетку, которая визуально обозначает его. Но ничего подобного: горизонт словно разделяется на части, охватывая нас и сверху и снизу.

Картинка третья

Вверху : Принято думать, что с этого момента нас должна была бы окружать темнота. Но нет: звездное небо над нами остается, оно просто быстро сжимается, будто горизонт восстает все выше. Теперь нас не спасут никакие фантастические двигатели. Внизу : Теперь мы превращаемся в спагетти: нас невероятно растягивает вдоль вертикальной оси и сжимает вдоль горизонтальной. Это — проявление приливных сил , действующих на любой протяженный объект со стороны неоднородного гравитационного поля.

Картинка четвертая

Вверху : Все ближе к сингулярности в самом сердце черной дыры. Те же приливные силы заставляют всю остальную Вселенную выглядеть, как тонкая светящаяся полоса. Излучение над и под ней центральной полосой заметно смещается в красную сторону, а по сторонам — в синюю. Саму сингулярность увидеть невозможно никак: весь свет идет к ней, и ничто — от нее. Внизу : В центре черной дыры — точка сингулярности, где наши измерения бесконечно искривлены и где нет уже ничего, ни времени, ни пространства.

Горизо́нт собы́тий - воображаемая граница в пространстве-времени , разделяющая те события (точки пространства-времени), которые можно соединить с событиями на светоподобной (изотропной) бесконечности светоподобными геодезическими линиями (траекториями световых лучей), и те события, которые так соединить нельзя. Так как обычно светоподобных бесконечностей у данного пространства-времени две: относящаяся к прошлому и будущему, то и горизонтов событий может быть два: горизонт событий прошлого и горизонт событий будущего . Упрощённо можно сказать, что горизонт событий прошлого разделяет события на те, на которые можно повлиять с бесконечности, и на которые нельзя; а горизонт событий будущего отделяет события, о которых можно что-либо узнать, хотя бы в бесконечно отдалённой перспективе, от событий, о которых узнать ничего нельзя. Это связано с тем, что скорость света является предельной скоростью распространения любых взаимодействий, так что никакая информация не может распространяться быстрее.

Горизонт событий обычно является 3-мерной гиперповерхностью . Необходимым и достаточным условием его существования является пространственноподобность хотя бы части светоподобной (изотропной) бесконечности. Следует отметить, что горизонт событий - понятие интегральное и нелокальное, так как в его определении участвует светоподобная бесконечность, то есть все бесконечно удалённые области пространства-времени. Поэтому в своей непосредственной окрестности горизонт событий ничем не выделен, что представляет проблему при численных расчётах в общей теории относительности. Для решения этой проблемы предложены некоторые близкие по свойствам к горизонту событий, но локально определяемые понятия: динамический горизонт, ловушечная поверхность и кажущийся горизонт (apparent horizon).

Существует также понятие горизонта событий отдельного наблюдателя . Он разделяет между собой события, которые можно соединить с мировой линией наблюдателя светоподобными (изотропными) геодезическими линиями, направленными соответственно в будущее - горизонт событий прошлого , и в прошлое - горизонт событий будущего , и события, с которыми этого сделать нельзя. Например, постоянно равномерно ускоренный наблюдатель в пространстве Минковского имеет свои горизонты прошлого и будущего (см. горизонт Риндлера).

Горизонт событий чёрной дыры

Горизонт событий будущего является необходимым признаком чёрной дыры как теоретического объекта. Горизонт событий сферически-симметричной чёрной дыры называется сферой Шварцшильда и имеет характерный размер, называемый гравитационным радиусом .

Находясь под горизонтом событий, любое тело будет двигаться только внутри чёрной дыры и не сможет вернуться обратно во внешнее пространство. C точки зрения наблюдателя, свободно падающего в чёрную дыру, свет может свободно распространяться как по направлению к чёрной дыре, так и от неё. Однако после пересечения горизонта событий даже свет, распространяющийся от наблюдателя наружу, никогда не сможет выйти за пределы горизонта. Предмет, попавший внутрь горизонта событий, в конце концов, вероятно, попадает в сингулярность , а перед этим вытягивается в струну вследствие высокого градиента силы притяжения чёрной дыры (приливных сил).

Энергия, возможно, может покидать чёрную дыру посредством т. н. излучения Хокинга , представляющего собой квантовый эффект. Если так, истинные горизонты событий в строгом смысле у сколлапсировавших объектов в нашей Вселенной не формируются. Тем не менее, так как астрофизические сколлапсировавшие объекты - это очень классические системы, то точность их описания классической моделью чёрной дыры достаточна для всех мыслимых астрофизических приложений .

Другие примеры горизонтов событий

• Для наблюдателя, движущегося с постоянным ускорением в пространстве Минковского (его скорость в инерциальной системе отсчёта приближается к скорости света, но не достигает её) существуют два горизонта событий, так называемые горизонты Риндлера (см. координаты Риндлера).
  Более того, для ускоренного наблюдателя существует аналог излучения Хокинга - излучение Унру .
• Горизонт событий будущего существует для нас в нашей Вселенной , если верна современная космологическая модель ΛCDM .
• В акустике также существует конечная скорость распространения взаимодействия - скорость звука , в силу чего математический аппарат и физические следствия акустики и теории относительности становятся аналогичными, а в сверхзвуковых потоках жидкости или газа возникают аналоги горизонтов событий - акустические горизонты.

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Горизонт событий" в других словарях:

ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ, граница ЧЕРНОЙ ДЫРЫ, за пределы которой не может вырваться никакой объект или излучение. Естественно, наблюдатели, находящиеся вне черной дыры, не могут получить никакой информации о том, что делается внутри нее. Радиус… … Научно-технический энциклопедический словарь

Замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг черной дыры, в пределах которой силы гравитации столь велики, что никакие сигналы (фотоны, частицы) не могут выйти из под этой поверхности и достичь внешнего наблюдателя … Большой Энциклопедический словарь

Горизонт событий - в теории чёрных дыр (см. «Черная дыра») и в общей теории относительности граница области в пространстве времени, в которой сигналы, распространяющиеся со скоростью света, полностью удерживаются тяготением и не могут уйти в бесконечность во… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

Замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг чёрной дыры, в пределах которой силы гравитации столь велики, что никакие сигналы (фотоны, частицы) не могут выйти из под этой поверхности и достичь внешнего наблюдателя. * * * ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ … Энциклопедический словарь

Замкнутая поверхность, ограничивающая область вокруг чёрной дыры, в пределах к рой силы гравитации столь велики, что никакие сигналы (фотоны, частицы) не могут выйти из под этой поверхности и достичь внеш. наблюдателя … Естествознание. Энциклопедический словарь

горизонт событий - См. в черная дыра … Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого

У этого термина существуют и другие значения, см. Горизонт событий (значения). Горизонт событий Event Horizon … Википедия

Изучением черных дыр всерьез физики занялись не так давно - хотя сама концепция их существования появилась еще в позапрошлом веке. Но идея присутствия где-то в космосе таких объектов казалась настолько фантастической и недоказуемой, что практически не рассматривалась всерьез. В новом выпуске рубрики «Просто о сложном» - рассказ об истории открытия «застывших звезд» и о том, что происходит с пространством и временем на границах черной дыры.

Долгая история неверия

В 1783 году священник из английской деревни Торнхилл Джон Митчелл представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью. В ней он писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет уйти от нее далеко - он будет затянут обратно за счет гравитационного притяжения. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но увидеть их невозможно - так как их свет поглощается ими же. Тем не менее теоретически их гравитационное притяжение можно обнаружить. Статья не вызвала ажиотажа в научном сообществе и прошла практически незамеченной.

Спустя несколько лет французский ученый Пьер-Симон Лаплас, незнакомый с работой Митчелла, выдвинул схожую гипотезу. Он опубликовал ее в своем труде «Система мира», однако после второго издания теория из книги исчезла - по всей видимости, Лаплас решил, что о такой дурацкой идее и говорить не стоит.

Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды.

А вот в XIX веке ученым уже не могла прийти в голову мысль о невидимых звездах. Все дело в том, что ньютоновское убеждение относительно того, что свет состоит из частиц, вышло из моды. Ученые пришли к выводу, что концепция, согласно которой свет - это волна, лучше описывает явления окружающего мира. О том, как гравитация действует на волны, ничего известно не было, стало быть, и рассуждения о небесных объектах, «затягивающих» собственный свет, пришлось забыть.

Вновь вспомнили о них только в XX веке. В 1916 году, практически сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд описал «застывшую звезду», как тогда называли такие объекты, не рассматривая процесс ее зарождения, а в 1939 этот недостающий элемент в теорию добавили Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер. И только 1969 году американский физик Джон Уилер придумал термин «черная дыра» (Уилер вообще был романтиком, и второй придуманный им термин, «кротовая нора», еще более любим фантастами).

Загробная жизнь звезды

Жизненный цикл звезды чем-то похож на человеческий - она рождается и умирает. Вначале огромное облако газа (преимущественно водорода) в космосе начинает сжиматься под воздействием собственной гравитации, его молекулы все чаще сталкиваются друг с другом, и их скорости увеличиваются. Газ разогревается, и при определенной температуре возникает реакция термоядерного синтеза, в результате которой образуется гелий. В ходе реакции выделяется тепло и излучается свет. Так возникает звезда. Тепло создает дополнительное давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда перестает сжиматься - в стабильном состоянии она может существовать более миллиона лет. Но рано или поздно запасы реагирующего водорода у звезды иссякают, и она начинает остывать и сжиматься.

Тут сравнение с человеческой жизнью заканчивается, потому что дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды. Из более крупных светил образуются нейтронные звезды. Их размер куда меньше, чем у белых карликов, зато плотность составляет сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.

И, наконец, если масса звезды достаточно велика, то образующаяся нейтронная звезда под воздействием гравитации сжимается все сильнее и сильнее, пока не станет черной дырой.

Выхода нет

Одним из важнейших достижений Эйнштейна было открытие природы гравитации. Ученый показал, что она, по сути, является искривлением пространства. Под воздействием массивных объектов оно «проминается», как натянутая эластичная ткань, на которую положили тяжелый предмет. Продолжая это сравнение, можно сказать, что точно так же в виде тяжелого шара можно представить и Солнце, а Земля, будучи значительно более мелким шариком, не притягивается к нему, а всего лишь вращается в получившейся воронке (с той только разницей, что настоящий шарик со временем скатился бы вниз).

В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным - такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.

Так же можно представить и рождение черной дыры - шар на натянутой эластичной ткани становится все более маленьким и плотным, и ткань все сильнее прогибается под его весом, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним и он пропадает из поля зрения. Примерно так происходит и в реальности: пространство-время вокруг звезды свертывается, и она пропадает из Вселенной, оставляя в ней лишь сильно искривленную область пространства-времени. В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным - такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.

Из-за происходящего искривления лучи света, идущие от звезды, меняют свои траектории. Если представить себе эти лучи как конусы, вершина которых - у звезды, а «подошва» - это круг расходящегося света, то можно сказать, что в процессе коллапса эти конусы постепенно все больше наклоняются внутрь, к звезде. Наблюдателю, смотрящему на этот процесс, будет казаться, что свечение становится все более тусклым и красным (это потому что красный свет имеет наибольшую длину волны). В конце концов искривление (то есть гравитационное поле) станет настолько сильным, что ни один луч света не сможет выйти наружу. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, и это означает, что начиная с этого момента ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля. Эту область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется по траектории тех световых лучей, которые первыми потеряли возможность выйти наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры - так же как, глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.

На самом деле все не так

Убеждение, что ничто не может покинуть черную дыру, было незыблемым до 70-х годов XX века. А в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры в результате квантовых процессов все же излучают разнообразные элементарные частицы, преимущественно фотоны. В 2010-х годах разные группы ученых в лабораторных условиях подтвердили его предположение. При этом в природе такого излучения пока не было обнаружено, как, впрочем, и самих черных дыр - Нобелевская премия за их открытие еще ждет своего счастливчика.

Черные дыры, вероятнее всего, совсем не ограничены никаким горизонтом событий. Не правда ли парадоксальное заявление? Впрочем, вряд ли кто-то будет удивлён, если узнает, что эта новая гипотеза принадлежит легендарному физику-теоретику Стивену Хоккингу. В своё время с его лёгкой подачи чёрные дыры перестали считаться «чёрными» и «бессмертными».

Однако не так просто осознать эту идею. Для начала стоит разобраться, что вообще представляет собой горизонт событий.

Мы привыкли ассоциировать горизонт событий непосредственно с чёрными дырами. Непреступная граница, оболочка чёрных дыр. За этой оболочкой скрыто то, что неподвластно взгляду стороннего наблюдателя и даже существующим законам физики. Однако, горизонт событий в контексте чёрных дыр является лишь его частным проявлением. Другими словами, горизонт событий есть не только у чёрных дыр.

Общее определение горизонта событий представляет нам его как некую условную границу, которая разделят две совокупности событий. Существуют две разновидности горизонта событий – горизонт событий прошлого и будущего. Горизонт прошлого разделяет совокупности изменяемых и неизменяемых событий. Горизонт будущего разделяет несколько иные совокупности. Обо всех событиях первой совокупности наблюдатель может узнать когда-либо. Вторая же совокупность содержит события, о которых наблюдатель не узнает никогда.

Чёрная дыра обладает горизонтом событий прошлого. Подобный горизонт также будет наблюдать тот, кто движется с релятивистки равномерным ускорением. Горизонтом событий будущего обладает наблюдаемая часть Вселенной. Подробнее об этих «разновидностях» горизонта событий будет рассказано ниже.

Путешествие в бездну

Чёрные дыры являются крайне удобной площадкой для изысканий физиков теоретиков и иллюстрации многих труднообъяснимых явлений. Так в популярной науке известен классический пример, описывающий падение выдуманного звездолёта на чёрную дыру и наблюдение за ним стороннего наблюдателя. Этот пример наглядно описывает некоторые особенности горизонта событий.

Согласно теории относительности, для пассажира звездолёта путь до горизонта событий ничем не будет примечателен. Он будет двигаться с нарастающим ускорением, пока не достигнет скорости света на горизонте событий. Иную картину увидит наблюдатель. Для него растягивающийся силуэт звездолёта будет замедляться по мере приближения к чёрной дыре. У самого горизонта событий он и вовсе застынет навеки.

Науке неизвестно, что произойдёт со звездолётом после пересечения этой черты. Вероятнее всего, с точки зрения пассажира звездолёта, преодолев световой барьер, он продолжит своё ускорение. Стоит отметить, что вся масса чёрной дыры должна быть сосредоточена в её центре, бесконечно мелкой сингулярности. Поэтому остальное пространство чёрной дыры является просто областью, ограниченной горизонтом событий.

Разный взгляд на пустоту

Другими словами, термин «радиус чёрной дыры» не обозначает радиус материального объекта. Это радиус области, внутри которой не действует известная физика. Попав в неё, наш звездолёт не только не сможет вырваться назад, но и неизбежно попадёт в её центр.

В данном случае интересная особенность горизонта событий заключается в том, что с точки зрения наблюдателя никакой сингулярности не существует. Всё то, что попало в чёрную дыру для нашего (внешнего) мира навсегда останется у края горизонта событий. То есть, с нашей точки зрения, вся масса чёрной дыры сосредоточена не в центре, а по периферии. Звездолёт не только не достигнет центра, но и не пересечёт границы чёрной дыры.

Для тех же, кто попал в чёрную дыру, пересечение горизонта событий пролетит со скоростью света. Путешествие до сингулярности будет проходить при ещё больших нарастающих скоростях, что также нарушает законы нашей физики. В конечном итоге любое тело, угодившее в чёрную дыру, неизбежно станет частью сингулярности. По её меркам пройдёт сравнительно небольшое время, тогда как за пределами дыры, известная для нас, Вселенная может исчезнуть. Ведь, согласно модели Хоккинга, испарения чёрной дыры происходит за невообразимо короткий срок.

Масштабы горизонта событий

Горизонт событий, наряду с сингулярностью, является основным «атрибутом» чёрной дыры. Его радиус, называемый также гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда, линейно зависит от её массы. Можно практически в уме оценить радиус любой чёрной дыры, умножив три километра на отношение её массы к массе солнца. Так чёрная дыра с земной массой будет размером с вишню. В тоже время размер сверхмассивных чёрных дыр будет исчисляться миллионами и даже миллиардами километров.

Очевидно, что при таких колоссальных размерах, такие объекты не будут обладать столь губительными приливными силами. Поэтому мысль о том, что любое тело разорвёт ещё до подхода к чёрной дыре, является заблуждением. Получается, теоретически можно допустить путешествие человека вглубь чёрной дыры, о чём было рассказано выше.

Самым интересным является то, что размер чёрной дыры с массой наблюдаемой Вселенной в разы меньше размера самой Вселенной. Собственно, тут стоит вспомнить, оговоренную ранее разновидность горизонта событий, как завесу, окутывающую нашу наблюдаемую Вселенную. То есть, то, что, находится за горизонтом событий Вселенной, скрыто от наблюдателя подобно звездолёту, находящемуся в чёрной дыре.

Вселенский горизонт событий

Горизонт событий наблюдаемой Вселенной является одним из трёх параметров, характеризующих её границы. Кроме него также существует сфера Хаббла и горизонт частиц. Радиус сферы Хаббла равен расстоянию, который прошёл свет за время жизни Вселенной – т.е. около 14 млрд. световых лет. Однако, в силу того, что наша Вселенная не статична, сфера Хаббла не является её границей. Реальную границу характеризует горизонт частиц, который учитывает расширение Вселенной. Радиус горизонта частиц примерно в три раза больше горизонта сферы Хаббла. Он равен фактическому расстоянию, который преодолел самый далёкий объект, успевший испустить свет до наблюдателя.

Горизонт событий несколько отличен от горизонта частиц. Он отсеивает от нас те события в нашей Вселенной, о которых мы не узнаем никогда. Его радиус на несколько миллиардов световых лет больше радиуса сферы Хаббла.

Все эти три параметра непосредственно зависят от самого наблюдателя. В этом и состоит одно из отличий горизонта событий чёрной дыры от горизонта событий Вселенной. То есть, горизонт событий чёрной дыры не зависит от местоположения различных наблюдателей. Напротив, каждый наблюдатель, в зависимости от своего местоположения, будет видеть границу Вселенной по-своему. Это похоже на то, как будет различаться горизонт с разных точек поверхности планеты.

Горизонт Риндлера

Горизонт событий также существует для наблюдателя, который находится в состоянии релятивистски равноускоренного движения. Такое тело будут сопровождать два горизонта, которые во многом схожи с горизонтом чёрных дыр. К примеру, этот горизонт будет также обладать излучением, аналогичному излучению испаряющихся чёрных дыр.

Этот горизонт также называется горизонтом Риндлера. Он назван в честь его первооткрывателя Вольфганта Риндлера, который, к слову, придумал сам термин «горизонт событий».

Видимый горизонт

Итак, теперь мы имеем представление о том, каким видит горизонт событий современная наука. Казалось бы, каким образом Стивен Хоккинг решил опровергнуть его существование. На самом деле новая гипотеза создана, чтобы разрешить некоторые противоречия, связанные с чёрными дырами.

Зарождающаяся квантовая теория уже превратила чёрные дыры в объекты, способные излучать. Согласно той же квантовой модели, горизонт событий для нашего звездолёта теперь не будет просто условной границей. Обладая большой концентрацией энергии, «новый» квантовый горизонт событий полностью уничтожит звездолёт. Однако, как мы помним, согласно принципам теории относительности, звездолёт должен беспрепятственно пройти этот рубеж.

Поэтому было решено внести некоторые коррективы в устоявшиеся представления о горизонте событий. Теперь горизонт событий лишь временно удерживает то, что получил. По мере испарения чёрной дыры информация вернётся за горизонт, хоть и в искаженном виде. Однако даже сам Хоккинг называет свою идею не больше, чем и гипотезой. Он подчеркивает, что учёным ещё многое нужно познать, прежде чем с уверенностью говорить о горизонте событий.

Герой фантастики

В любом случае загадочность и неизведанность горизонта событий ещё долго будет будоражить умы фантастов. Чаще всего горизонт событий фигурирует как ворота в отдалённое пространство, время или измерение. Фантасты действительно вольны приписывать ему многие свойства, ведь пока что с ними неспособна поспорить наука.

Наиболее удачной в этом плане можно выделить кинокартину Кристофера Нолана «Интерстеллар».

Над сценарием и проработкой графики картины трудился не безызвестный физик-теоретик Кип Торн. Это резко выделяет фильм на фоне большинства фантастических картин. Вряд ли кто-то может сравниться с реалистичностью «прорисовки» сверхмассивной чёрной дыры, проделанной в «Интерстелларе».

Для тех, кто хочет почувствовать себя героем «Интерстлеллара» создано . Онлайн модель чёрной дыры имитирует искривление пространства вокруг чёрной дыры. Программа позволяет пронаблюдать за горизонтом событий в различных ракурсах и приближениях. Под саундрек «Интерстеллара» можно совершить погружение к горизонту событий, наблюдая за изменением не только космических красот или аккреционного диска, но и координатной сетки.

Спросите Итана: как должен выглядеть горизонт событий чёрной дыры?

• Научно-популярное ,
• Астрономия

• Перевод

Изображение чёрной дыры. Несмотря на её тёмный цвет, считается, что все чёрные дыры были сформированы из обычной материи, но подобные иллюстрации не совсем точны

В апреле 2017 телескопы всего мира одновременно собрали данные по центральной чёрной дыре Млечного Пути. Из всех известных во вселенной ЧД та, что находится в центре Галактики - Стрелец A* - особенная. С нашей точки зрения её горизонт событий крупнейший из всех доступных нам ЧД. Он настолько большой, что телескопы, расположенные в разных местах Земли, должны были бы его увидеть, если бы посмотрели на него все одновременно. И хотя на комбинирование и анализ данных, полученных с разных телескопов, уйдут месяцы, к концу 2017 года мы должны получить наше первое изображение горизонта событий. Так как он должен выглядеть? Такой вопрос задаёт один из наших читателей, запутавшийся в иллюстрациях:

Разве горизонт событий не должен полностью окружать чёрную дыру на манер яичной скорлупы? Все художники рисуют чёрные дыры в виде разрезанных яиц, сваренных вкрутую. Почему горизонт событий не окружает чёрную дыру полностью?

Конечно, в интернете можно найти иллюстрации разного рода. Но какие из них правильные?



Рисунок с простым чёрным кругом и кольцом вокруг него - чрезмерно упрощённое изображние горизонта ЧД

Самый старый вид иллюстраций - простой чёрный диск, закрывающий собой весь свет позади него. Это имеет смысл, если вспомнить, что собой представляет ЧД: по сути, это собранная в одном месте масса настолько большой величины и настолько компактная, что скорость убегания с её поверхности превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться так быстро, даже передача взаимодействий между частицами внутри ЧД, внутри ЧД схлопывается до сингулярности, а вокруг ЧД образуется горизонт событий. Из этого сферического участка космоса свет не может убежать, поэтому он и должен выглядеть с любой перспективы, как чёрный круг, наложенный на фон Вселенной.

ЧД - не просто масса над изолированным фоном, она оказывает гравитационные эффекты, растягивающие, увеличивающие и искажающие свет из-за гравитационного линзирования.

Но это ещё не вся история. Из-за гравитации ЧД увеличивают и искажают идущий с обратной стороны свет из-за эффекта гравитационного линзирования. Существует более точные и детальные иллюстрации внешнего вида ЧД, и у неё даже есть горизонт событий, размер которого правильно сопоставлен с кривизной пространства согласно ОТО.

К сожалению, и эти иллюстрации не лишены недостатков: они не учитывают материал, находящийся перед ЧД и аккреционный диск вокруг ЧД. Некоторые изображения включают и это.

Изображение активной ЧД, занятой аккрецией материи и ускорением её части в виде двух перпендикулярных струй, может описать ЧД в центре нашей Галактики правильно с многих точек зрения.

Из-за огромных гравитационных эффектов чёрные дыры формируют аккреционные диски в присутствии других источников материи. Астероиды, газовые облака, целые звёзды могут быть разорваны на части приливными силами, исходящими от таких массивных объектов, как чёрные дыры. Из-за сохранения углового момента и из-за столкновений между различными падающими в ЧД частицами, вокруг неё появиялется дискообразный объект, который разогревается и излучает. Во внутренних регионах частицы периодически падают в ЧД, что увеличивает её массу, а материал, находящийся перед ней, закрывает часть сферы, которую вы бы иначе видели.

Но сам по себе горизонт событий непрозрачен, и материю за ним вы видеть не должны.

У чёрной дыры в фильме Interstellar достаточно точно показан горизонт событий для особого класса вращающихся ЧД

Вас может удивить, что в голливудском фильме Interstellar ЧД изображена точнее, чем на многих профессиональных изображениях, созданных в НАСА или для него. Но даже среди профессионалов полно неправильных представлений о ЧД. ЧД не засасывают материю внутрь, а лишь оказывают гравитационное воздействие. ЧД не раздирают предметы из-за какой-то дополнительной силы - это делают простые приливные силы, когда одна часть падающего объекта оказывается ближе к центру, чем другая. И, что самое важное, ЧД редко существуют в «голом» состоянии, и часто находятся вблизи другой материи, как та, что существует в центре нашей Галактики.

Композитное изображение ЧД Стрелец А* в центре нашей Галактики, составленное из рентгеновских и инфракрасных лучей. Она обладает массой в 4 миллиона солнечных, и окружена горячим газом, излучающим в рентгеновском диапазоне

Памятуя обо всём этом, вспомним, что же это за изображения варёных яиц? Помните, что саму ЧД изобразить нельзя, поскольку она не испускает свет. Мы можем только наблюдать в определённом диапазоне длин волн и видеть сочетание света, обходящего ЧД сзади, изгибающегося вокруг и перед ней. И получающийся сигнал действительно будет напоминать варёное вкрутую яйцо, разрезанное пополам.

Некоторые из возможных сигналов горизонта событий ЧД, полученные в симуляциях проекта "Телескоп горизонта событий "

Всё дело в том, что именно мы фотографируем. Мы не можем наблюдать в рентгеновском диапазоне, ибо таких фотонов слишком мало. Мы не можем наблюдать в видимом свете, поскольку центр галактики для него непрозрачен. И мы не можем наблюдать в инфракрасном свете, поскольку атмосфера блокирует такие лучи. Но мы можем наблюдать в радиодиапазоне, и делать это по всему миру, одновременно, чтобы получить наилучшее из возможных разрешений.

Части «Телескопа горизонта событий» из одного полушария

Угловой размер ЧД в центре Галактики равен примерно 37 угловых микросекунд, а разрешение телескопа равно 15 угловых микросекунд, поэтому у нас должно получиться его увидеть! Большая часть радиочастотного излучения исходит из заряженных частиц материи, ускоряющихся вокруг ЧД. Мы не знаем, как будет ориентирован диск, будет ли там несколько дисков, будет ли это больше похоже на рой пчёл или на компактный диск. Мы также не знаем, предпочтёт ли он одну «сторону» ЧД, с нашей точки зрения, другой.

Пять различных симуляций в ОТО с использованием магнитогидродинамической модели аккреционного диска ЧД, и то, как будет выглядеть полученный сигнал

Мы ожидаем найти реальный горизонт событий, с определённым размером, блокирующий весь идущий из-за него свет. Мы также ожидаем наличие какого-либо сигнала, расположенного перед ним, неровность этого сигнала из-за беспорядка вокруг ЧД, и что ориентация диска относительно ЧД определит, что именно вы сможем увидеть.

Одна часть будет ярче, когда диск вращается в нашу сторону. Другая сторона тусклее, когда диск вращается от нас. Контур горизонта событий также может быть видимым из-за гравитационного линзирования. Что ещё важнее, расположение диска к нам ребром или плоскостью очень сильно будет влиять на характер полученного сигнала, как видно в первом и третьем квадратах рисунка ниже.

Расположение диска к нам ребром (два правых квадрата) или плоскостью (два левых квадрата) очень сильно будет влиять на то, какую ЧД мы увидим

Мы можем проверить и другие эффекты, а именно:

Обладает ли ЧД размером, предсказанным ОТО,
круглый ли горизонт событий (как предсказано), или вытянутый, или сплющенный у полюсов,
простирается ли радиоизлучение дальше чем мы думаем,

Или есть ещё какие-то отклонения от ожидаемого поведения. Это новая ступень физики, и мы находимся на грани её прямой проверки. Одно ясно: неважно, что увидит «Телескоп горизонта событий», мы обязательно узнаем что-то новое и прекрасное об одних из самых экстремальных объектов и условий во Вселенной!