Одним из популярнейших сюжетов в научной фантастике является использование черной дыры в качестве портала для прохода в другое измерение, время или в другую вселенную. И такая фантазия может оказаться намного ближе к реальности, чем это думали до сих пор.
Художественное изображение черной дыры. © CC 0
Черные дыры — это, пожалуй, самые таинственные объекты во вселенной. Они являются творением гравитации, которая полностью раздавливает умирающую звезду и приводит к возникновению истинной сингулярности. Это происходит, когда вся звезда сжимается в одну точку, образуя объект почти бесконечной плотности.
Эта плотная и горячая сингулярность пробивает затем дыру в структуре самого пространства-времени, открывая, вероятно, возможность для путешествий в гиперпространство — то есть создает сокращение пространства-времени, которое позволило бы нам выйти за пределы огромных космических расстояний за короткое время. путешествия.
До сих пор ученые предполагали, что любому космическому кораблю, который попытается использовать черную дыру в качестве такого портала, грозит неизбежная смертельная опасность: горячая и плотная сингулярность приведет к тому, что космический корабль подвергнется серии все возрастающих приливных расширений и сдавливаний, прежде чем он в конечном итоге полностью испарится.
И вот теперь команде профессора Гуарава Ханны из Массачусетского университета при участии колледжа Гвиннет в Джорджии удалось показать, что не все черные дыры одинаковы. Если черная дыра, такая как Стрелец А *, которая находится в центре нашей галактики, достаточно велика и вращается, перспектива для приближающегося к ней космического корабля резко меняется. Потому что сингулярность, которой космический корабль должен был бы противостоять, оказалась бы довольно мягкой и, таким образом, могла бы даже обеспечить возможность сравнительно спокойного прохода сквозь дыру.
Вымышленная черная дыра «Гаргантюа» (сцена из фильма «Интерстеллар»).© Paramount/Warner Brothers/The Kobal Collection
Причина этого объясняется тем, что такая сингулярность внутри вращающейся черной дыры технически «слабая» и, следовательно, не будет критичная для объектов, которые взаимодействуют с ней.
На первый взгляд, этот факт полностью противоречит физической картине черных дыр и их свойствам. Но здесь вполне можно провести аналогию с общеизвестным опытом — быстро провести пальцем сквозь пламя свечи, не получая при этом ожог, несмотря на температуру пламени около 1400 градусов.
Гуарав Ханна и его коллега Лиор Бурко исследовали физику черных дыр в течение 20 лет. Профессор Ханна говорит: «В 2016 году моя аспирантка Кэролайн Маллари, вдохновленная фильмом Кристофера Нолана "Интерстеллар", принялась за работу, чтобы посмотреть, смог ли бы Купер (которого играет Мэтью МакКонахи) пережить свое падение в глубины "Гаргантюа" — вымышленной, сверхмассивной и быстро вращающаяся черной дыры, примерно в 100 миллионов раз превосходящую массу нашего Солнца».
Фильм «Интерстеллар» основывается на книге Нобелевского лауреата Кипа Торна, а физические свойства «Гаргантюа» играют в этом голливудском кино важнейшую роль.
Опираясь на работу физика Амос Ори, проведенную два десятилетия назад, а также на огромную вычислительную мощь компьютеров, Маллари создала компьютерную модель, которая должна отображать большинство значительных физических воздействий на космический корабль или на крупный объект, падающий в большую вращающуюся черную дыру, как Стрелец А *.
И она пришла к выводу, что объект, падающий во вращающуюся черную дыру, при любых условиях не будет испытывать бесконечного воздействия при прохождении через так называемую внутреннюю горизонтальную сингулярность этой дыры.
Эта диаграмма показывает физическую нагрузку на предполагаемую стальную раму космического корабля во время его падения во вращающуюся черную дыру. На выделенном фрагменте показано подробное увеличение графика для позднего периода прохождения. Важно отметить, что деформация вблизи черной дыры резко возрастает, но не растет бесконечно. Поэтому космический корабль и его обитатели вполне могут пережить такое путешествие. © Khanna/UMassD
Этот термин означает ту сингулярность, которую объект, попадающий во вращающуюся черную дыру, не может избежать или уклониться от нее.
Следовательно, воздействие на объект при соответствующих обстоятельствах будет не только незначительным, но даже позволит осуществить практически комфортный переход через сингулярность.
Фактически, на падающий объект не должно оказываться заметное воздействие, что увеличивает возможность использования больших вращающихся черных дыр в качестве порталов для перемещения в гиперпространство.
Маллари обнаружила также одну особенность, которую ранее никто на самом деле не учитывал: а именно тот факт, что воздействия сингулярности, связанные с вращающейся черной дырой, привели бы к быстрому увеличению циклов растяжения и сжатия на космическом корабле. Но для такой большой черной дыры, как «Гаргантюа», сила такого эффекта была бы слишком низкой. То есть как сам космический корабль, так и все люди на его борту этого бы просто не заметили.
Хотя физическая нагрузка на космический корабль, когда он проникает в черную дыру, резко возрастает, она все же не растет бесконечно, благодаря чему и экипаж, и корабль смогут пережить это путешествие.
А ключевым моментом здесь представляется то, что эти эффекты не увеличиваются незаметно, но остаются конечными, даже если нагрузка на космический аппарат имеет тенденцию к бесконечному росту по мере приближения к черной дыре.
Но при этом в контексте модели Маллари есть несколько важных упрощающих допущений и вытекающих из этого ограничений. Основное предположение в ее моделях заключается в том, что рассматриваемая черная дыра, которая полностью изолирована и, следовательно, не подвергающаяся постоянным помехам от источника, каким может оказаться другая звезда, находящаяся поблизости, или даже от попадающего на нее излучения.
Хотя это предположение допускает важные упрощения, следует отметить, что большинство черных дыр все же окружены космическим материалом: пылью, газом, излучениями. Поэтому полезным продолжением работы Маллари стало бы проведение аналогичного исследования в контексте более реалистичной астрофизической черной дыры.
Подход Маллари к использованию компьютерного моделирования для исследования воздействия черной дыры на объект очень распространен в области физики черных дыр.
Излишне говорить о том, что у нас пока нет возможности проводить реальные эксперименты в черных дырах или рядом с ними, поэтому ученым необходимо обращаться к теории и моделированию, чтобы развить свое понимание явлений, давая прогнозы и делая новые открытия.
