Спросите Итана №81: можно ли выползти из чёрной дыры

Спасёт ли вас прочный трос, или ваша участь предрешена?

Никто ещё не смог, и не сможет избежать последствий своих решений.
— Альфред А. Монтаперт

https://geektimes.ru/post/279406/
Отправлять свои вопросы и предложения в мою колонку могут все, но получить ответ на них посчастливится лишь избранным. На этой неделе честь достаётся юзеру klooloola, который хочет уточнить существование возможностей бегства из чёрной дыры. Фотон, конечно, не сможет из неё вырваться, но может быть, сможет что-то другое, если мы устроим всё следующим образом:

Мне интересно, возможно ли выползти из чёрной дыры. Не разгоняясь до скорости убегания, а используя некий гипотетический лифт. Тогда вам не придётся лететь быстрее света. Вам ведь не приходится преодолевать первую космическую скорость, поднимаясь на лифте. Большой корабль снаружи горизонта событий большой чёрной дыры с маленькими приливными силами мог бы подвесить человечка на тросе, опустить его за горизонт событий, а затем вытянуть обратно.

Интересная идея. Посмотрим, возможна ли она, или любой другой метод.



Чёрная дыра – это не просто сверхплотная и сверхмассивная сингулярность, в которой пространство так сильно искривлено, что всё, что упало туда, не может убежать. Обычно мы так её себе представляем, но чёрная дыра, если быть точным, это регион пространства вокруг таких объектов, из которого не может выйти ни материя, ни энергия – даже свет.

Ничего особенно экзотичного тут нет. Если взять Солнце как оно есть, и сжать его до нескольких километров в диаметре, вы получите именно чёрную дыру. Хотя Солнцу не грозит опасность такого превращения, существуют звёзды, которые именно так и превратятся в чёрные дыры.



Самые массивные звёзды Вселенной – звёзды с массой, превышающей солнечную, в двадцать, сорок, сто, или даже, в центре суперкластера на фото выше, в 260 раз – самые голубые, горячие и яркие объекты. Также они быстрее всех сжигают ядерное топливо в своём ядре: всего лишь за один-два миллиона лет вместо миллиардов, как это делает Солнце.

Когда у звезды кончается горючее, ядра атомов внутри неё подвергаются огромному гравитационному давлению: настолько сильному, что без ответного давления излучения, возникающего во время ядерного синтеза, они схлопываются. В менее экстремальных ситуациях в ядрах и электронах скапливается столько энергии, что в результате синтеза они превращаются в связанную массу нейтронов. Если масса ядра в несколько раз превышает массу Солнца, эти нейтроны получаются настолько плотными и массивными, что также коллапсируют и превращаются в чёрную дыру.



Имейте в виду, что это минимальная масса чёрной дыры: несколько солнечных масс. Чёрные дыры могут вырастать гораздо больше, путём слияния, поглощения материи и энергии и перемещения в центр галактики. В центре Млечного пути найден объект с массой в четыре миллиона солнечных, вокруг которого вращаются отдельные звёзды, и который при этом не испускает никакого света ни на каких длинах волн.



В других галактиках могут существовать и более массивные чёрные дыры, в тысячи раз превышающие по массе нашу, и теоретического верхнего предела для их массы не существует. Но мы пока не упоминали два интересных свойства чёрных дыр, которые должны подвести нас к ответу на сегодняшний вопрос. Первое – что случается с пространством по мере увеличения массы чёрной дыры.

По определению чёрной дыры, ни один объект не может вырваться из её гравитационного притяжения, независимо от его скорости, даже если она равна скорости света. Эта граница между тем местом, где объект может убежать, и тем, где не может, известна, как горизонт событий, и он есть у каждой дыры.





Это может вас удивить, но кривизна пространства гораздо меньше на горизонте событий вокруг самых массивных чёрных дыр, и гораздо больше вокруг менее массивных. Представьте следующее: если бы вы «стояли» на горизонте событий чёрной дыры, и ваши ступни находились бы как раз на границе, а голова – где-то на 1,6 метра дальше от сингулярности, на ваше тело действовала бы растягивающая его сила. Если бы это была чёрная дыра в центре нашей галактике, эта растягивающая сила составляла бы всего лишь 0,1% от земной гравитации. А если бы Земля превратилась в чёрную дыру, и вы бы встали на её горизонте событий, то растягивающая сила была бы в 10²⁰ раз сильнее земного притяжения!



В таких бы условиях нам пришлось проверять предположение читателя. Конечно, если эти растягивающие силы настолько малы на границе горизонта событий, они не должны быть сильно больше внутри него, и поэтому, учитывая электромагнитные силы, удерживающие твёрдые объекты, возможно, мы могли бы подвесить объект снаружи горизонта событий, пересечь его, а затем вытянуть объект назад.

Но возможно ли это? Чтобы разобраться, давайте вернёмся к происходящему на самой границе между нейтронной звездой и чёрной дырой: на границе необходимой массы.



Представьте, что у вас есть невероятно плотный нейтронный шар, с поверхности которого всё же может убежать фотон, вместо того, чтобы обязательно упасть обратно на звезду. Разместим ещё один нейтрон на её поверхности, и внезапно ядро потеряет возможность сдерживать гравитационный коллапс. Но отвлечёмся от мыслей о происходящем на её поверхности, и представим, что происходит внутри региона формирования чёрной дыры.

Представьте отдельный нейтрон, состоящий из кварков и глюонов, и представьте, что глюонам для переноса взаимодействий нужно перемещаться от одного кварка к другому.



Один из кварков окажется ближе к сингулярности в центре чёрной дыры, чем другой. Для обмена взаимодействиями – и для стабильности нейтрона – глюону в какой-то момент придётся переместиться от ближнего кварка к дальнему. Но даже на скорости света (а глюоны не имеют массы) это невозможно! Все нулевые геодезические, то есть пути, по которым проходит объект, движущийся со скоростью света, ведут к сингулярности в центре чёрной дыры. Более того, они никогда не отодвигаются от него дальше, чем в момент начала пути.

Поэтому нейтрону внутри горизонта событий чёрной дыры приходится коллапсировать и становиться частью сингулярности в центре.



Возвращаемся к примеру с тросом. Когда любая частица пересекает горизонт событий, для неё уже невозможно вернуться назад – даже для света. Но именно фотоны и глюоны нужны для переноса взаимодействий с частицами, находящимися снаружи горизонта событий – а они туда попасть не могут!

Это не значит, что трос порвётся. Скорее всего, сила притяжения затянет в дыру весь ваш корабль. Конечно, силы в определённых условиях не разорвут вас, но это не та причина, по которой стремление к сингулярности становится неизбежным. Это невероятная сила притяжения и факт, что частицы любой массы, энергии и скорости могут лишь направляться к сингулярности сразу после пересечения горизонта событий.




И, к сожалению, по этой причине невозможно выбраться из чёрной дыры после пересечения горизонта событий. Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, вам понравилось объяснение! Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.