Спросите Итана: может ли материя убежать из-за горизонта событий во время слияния чёрных дыр?

в 12:00, , рубрики: астрономия, горизонт событий, гравитационные волны, Научно-популярное, Сингулярность, слияние чёрных дыр, спросите итана, физика, чёрные дыры

Спросите Итана: может ли материя убежать из-за горизонта событий во время слияния чёрных дыр? - 1
У чёрных дыр должны быть аккреционные диски, с которых в них падает материя, и после пересечения горизонта событий у материи уже не должно быть способа выбраться обратно. Может ли что-то повлиять на этот порядок вещей?

Единожды попав за горизонт событий чёрной дыры, выбраться уже не получится. Нет такой скорости, которая помогла бы выбраться оттуда, для этого не хватит даже скорости света. Но, согласно общей теории относительности, пространство в присутствии массы и энергии искривляется, а слияние чёрных дыр – один из наиболее экстремальных вариантов в природе. Есть ли возможность упасть в ЧД, пересечь горизонт событий, а затем убежать оттуда, пока этот горизонт искажается в результате массивного слияния? Такой вопрос возник у нашего читателя:

Если две ЧД объединятся, возможно ли, чтобы материя, находящаяся внутри горизонта событий одной из ЧД, смогла убежать оттуда? Может ли она убежать и переместиться в другую, более массивную ЧД? А убежать сразу за пределы обоих горизонтов?

Идея, конечно, безумная. Но достаточно ли она безумна, чтобы сработать? Давайте выясним.

Спросите Итана: может ли материя убежать из-за горизонта событий во время слияния чёрных дыр? - 2
Когда время жизни массивной звезды подходит к концу, или при слиянии достаточно массивных останков звёзд, в результате может появиться ЧД. Горизонт событий будет пропорционален её массе, а вокруг неё будет находиться аккреционный диск падающей в неё материи.

Обычно ЧД формируется при коллапсе ядра массивной звезды, происходящем либо после взрыва сверхновой, либо при объединении нейтронных звёзд, или при прямом схлопывании. Насколько мы знаем, каждая ЧД состоит из материи, бывшей ранее частью звезды, поэтому ЧД во многих смыслах – конечная форма звёздных останков. Некоторые ЧД появляются изолированно, иные являются частью двойной системы или даже системы из нескольких звёзд. Со временем ЧД могут не только сблизиться по спирали и слиться, но и поглощать другую материю, падающую внутрь горизонта событий.

Спросите Итана: может ли материя убежать из-за горизонта событий во время слияния чёрных дыр? - 3
В случае шварцшильдовской ЧД падение в неё ведёт к сингулярности и тьме. Неважно, в каком направлении вы будете перемещаться, как сильно ускоряться, и так далее – пересечение горизонта неминуемо ведёт ко встрече с сингулярностью.

Когда что-либо пересекает горизонт событий ЧД снаружи, эта материя оказывается обречена. Всего через несколько секунд она неизбежно встретится с сингулярностью в центре ЧД: в случае не вращающейся ЧД это будет точка, а в случае вращающейся – кольцо. У самой ЧД нет никакой памяти о том, какие в неё упали частицы, и каково было их квантовое состояние. С точки зрения информации остаётся только общая масса, заряд и угловой момент ЧД.

Спросите Итана: может ли материя убежать из-за горизонта событий во время слияния чёрных дыр? - 4
В последние моменты перед слиянием пространство-время вокруг пары ЧД будет искажаться, а материя будет продолжать падать в обе ЧД из окружающего их пространства. Не видно ни одного момента, в который могла бы появиться возможность убежать изнутри горизонта событий наружу.

Тогда можно представит себе ситуацию, когда материя падает в ЧД на последних стадиях слияния, когда ЧД уже готова слиться с другой. Поскольку у ЧД по идее всегда должны быть аккреционные диски, а в межзвёздном пространстве всегда есть летящая куда-нибудь материя, то частицы должны постоянно пересекать горизонт событий. Тут всё понятно, и мы можем рассмотреть частицу, которая только что попала за горизонт событий, в последние моменты перед слиянием.

Может ли она убежать? Может ли она «перепрыгнуть» из одной ЧД в другую? Давайте изучим ситуацию с точки зрения пространства-времени.

Спросите Итана: может ли материя убежать из-за горизонта событий во время слияния чёрных дыр? - 5
Компьютерная симуляция слияния двух ЧД и искажаемого ими пространства-времени. Гравитационные волны испускаются в изобилии, но материя не должна вырваться наружу.

При слиянии двух ЧД само слияние происходит после долгого периода сближения по спирали, во время которого энергия излучается наружу в виде гравитационных волн. Она излучается вплоть до самого последнего момента перед слиянием. Но из-за этого горизонты событий обеих ЧД не сжимаются; эта энергия появляется из-за всё усиливающейся деформации пространства-времени в районе центра масс. Можно представить схожий процесс, в котором бы терялась энергия планеты Меркурий – в результате планета приближалась бы к Солнцу, но от этого свойства Солнца и Меркурия не менялись бы.

Однако в самые последние моменты перед слиянием ЧД горизонты событий начинают искажаться из-за их гравитационного влияния друг на друга. К счастью, специалисты по численным методам теории относительности уже точно подсчитали, как именно это слияние влияет на горизонты событий, и это потрясающе информативный расчёт.

Несмотря на то, что до 5% суммарной массы ЧД до слияния может утечь наружу в виде гравитационных волн, можно заметить, что горизонты событий никогда не сжимаются; между ними появляется связь, они немного искажаются, и потом увеличиваются в объёме. Последний момент важен: если взять две ЧД одинаковой массы, их горизонты событий будут занимать определённый объём. Если слить их и создать одну ЧД двойной массы, то объём, занимаемый горизонтом событий, окажется в четыре раза больше суммарного объёма, который занимали горизонты событий двух ЧД. Масса ЧД прямо пропорциональна её радиусу, а объём пропорционален кубу радиуса.

Спросите Итана: может ли материя убежать из-за горизонта событий во время слияния чёрных дыр? - 6
Мы обнаружили множество ЧД, и у всех у них радиус горизонта событий прямо пропорционален массе. Удвойте массу — удвоится радиус, площадь поверхности горизонта увеличится в четыре раза, а объём – в восемь!

Оказывается, даже если удерживать частицу в неподвижном состоянии внутри ЧД, и сделать так, чтобы она как можно медленнее падала к сингулярности в центре, она всё равно не сможет выбраться из-за горизонта событий. Суммарный объём общего горизонта событий возрастает, а не уменьшается, и вне зависимости от траектории частицы, пересекающей горизонт событий, ей суждено быть навеки проглоченной комбинированной сингулярностью обеих ЧД.

Во многих сценариях столкновений в астрофизике присутствует «выброс» [ejecta], когда материя изнутри объекта вырывается наружу в процессе катаклизма. Но в случае слияния ЧД всё, что было внутри, остаётся внутри; большая часть того, что было снаружи, попадает внутрь; лишь малая часть того, что было снаружи, в принципе может убежать. Если уж что-то упало внутрь, оно обречено, и ничто этого не изменит, чем бы вы ни швырялись в ЧД – даже другой ЧД!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Автор: Вячеслав Голованов

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля