Можно ли выжить в черной дыре?

В реальном мире ваше прошлое однозначно определяет ваше будущее. Если физик знает, как начинается Вселенная, ее будущее можно рассчитать на все время и на все пространство.

Но математик из Калифорнийского университета в Беркли нашел некоторые черные дыры, в которых этот закон не работает. Если бы кто-то рискнул попасть в одну из этих относительно мягких черных дыр, они могли бы выжить, но их прошлое было бы уничтожено, и у них могло быть бесконечное количество возможных вариантов будущего.

Утверждения относительно одного варианта будущего были сделаны учеными ранее, и физики объясняли это так называемой «сильной космической цензурой». То есть, что-то катастрофическое — как правило, ужасная смерть — помешало бы наблюдателям фактически войти в область пространства-времени, где их будущее не было однозначно определено. Этот принцип, впервые предложенный 50 лет назад физиком Роджером Пенроузом, своего рода идея — детерминизм. То есть, учитывая прошлое и настоящее, физические законы вселенной не позволяют больше одного возможного варианта будущего.

Но, как говорит доктор Питер Хинтц, математические расчеты показывают, что для некоторых конкретных типов черных дыр в вселенной, такой как наша, которая расширяется с ускорением, можно пережить переход из детерминированного мира в не- детерминированную черную дыру.

Какая бы жизнь была в пространстве, где будущее будет непредсказуемым, неясно. Но вывод не означает, что уравнения Эйнштейна общей теории относительности, которые до сих пор прекрасно описывают эволюцию космоса, ошибочны, сказал Хинтц.

«Ни один физик не собирается путешествовать в черную дыру и измерять ее. Это математический вопрос, но с этой точки зрения это делает математические уравнения Эйнштейна математически более интересными», — сказал он. «Это вопрос, который можно реально изучать математически, но он имеет физические, почти философские последствия, что делает его очень крутым».

«Этот … вывод соответствует серьезному провалу детерминизма в общей теории относительности, который нельзя воспринимать легко с учетом важности в современной космологии», говорят его коллеги из Лиссабонского университета в Португалии, Витора Кардозу, Жоао Коста и Кириакос Дестонис и в Университете Утрехта, Арон Янсен.

Ученый Гари Горовиц, который не участвовал в исследовании, сказал, что исследование дает «лучшее доказательство, которое я знаю о нарушении сильной космической цензуры в теории гравитации и электромагнетизма».

Хинтц и его коллеги опубликовали статью, описывающую эти необычные черные дыры в журнале Physical Review Letters.

За горизонтом событий

Черные дыры — странные объекты, которые получают свое название от того факта, что ничто не может избежать их гравитации, даже свет. Если вы окажетесь слишком близко и пересечете так называемый горизонт событий, вы уже никуда не убежите.

Для маленьких черных дыр, вы бы никогда не выдержали такой близкий подход. Приливные силы, близкие к горизонту событий, достаточны для того, чтобы растянуть любой объект до тех пор, пока он не станет цепочкой атомов.

Но для больших черных дыр, таких как сверхмассивные объекты в ядрах галактик, например в Млечном Пути, которые весят в десятки миллионов, если не в миллиарды раз больше массы Солнца, пересекать горизонт событий было бы возможно.

Поскольку нужно пережить переход от нашего мира к миру черных дыр, физики и математики давно задавались вопросом, как будет выглядеть этот мир, и обратились к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна, чтобы предсказать мир внутри черной дыры. Эти уравнения хорошо работают, пока наблюдатель не достигнет центра или сингулярности, где в теоретических расчетах кривизна пространства-времени становится бесконечной.

Однако, прежде чем добраться до центра, исследователь черных дыр, который никогда не сможет сообщить о том, что нашел в окружающем мире, может столкнуться с некоторыми странными и смертоносными вещами. Хинтц изучает особый тип черной дыры — стандартную, не вращающуюся черную дыру с электрическим зарядом, — и такой объект имеет так называемый горизонт Коши в пределах горизонта событий.

Горизонт Коши — это место, где детерминизм исчезает, где прошлое больше не определяет будущее. Физики, включая Пенроуза, утверждали, что ни один наблюдатель никогда не сможет пройти через точку горизонта Коши, потому что он будет уничтожен.

Как следует из аргументации, когда наблюдатель приближается к горизонту, время замедляется, и часы идут все медленнее в сильном гравитационном поле. Поскольку свет, гравитационные волны и все остальное, встретившее черную дыру, неизбежно падают к горизонту Коши, наблюдатель, также падающий внутрь, в конце концов увидит, что все эти энергии попадают туда одновременно. По сути, вся энергия, которую черная дыра видит за время жизни Вселенной, одновременно попадает в горизонт Коши, уничтожая любого наблюдателя, который забирается так далеко.

Однако Хинтц понял, что это может не действовать в расширяющейся вселенной, которая ускоряется, как например наша. Поскольку пространство-время все больше раздвигается, большая часть далекой вселенной вообще не будет влиять на черную дыру, так как эта энергия не может двигаться быстрее скорости света.

Фактически, энергия, доступная для попадания в черную дыру, — это только то, что содержится в наблюдаемом горизонте: объем вселенной, которую черная дыра может увидеть в течение своего существования. Например, для нас наблюдаемый горизонт больше, чем 13,8 миллиарда световых лет, который мы можем видеть в прошлом, потому что он включает в себя все, что мы увидим в будущем. Ускоряющееся расширение Вселенной помешает нам увидеть за горизонтом около 46,5 миллиардов световых лет.

В этом сценарии расширение Вселенной противодействует усилению, вызванному замедлением времени внутри черной дыры, и в некоторых ситуациях полностью отменяет его. В этих случаях — попадая в гладкие, не вращающиеся черные дыры с большим электрическим зарядом, так называемые черные дыры Рейсснера-Нордстрема-де Ситтера — наблюдатель мог бы выжить, проходя через горизонт Коши и в недетерминированный мир.

«Есть некоторые точные решения уравнений Эйнштейна для черных дыр, которые являются совершенно гладкими, без перегибов, без приливных сил, идущих в бесконечность, где все прекрасно ведет себя до этого горизонта Коши и за его пределами», — сказал он, отметив, что прохождение через горизонт было бы болезненным, но кратким. «После этого все проходит, а в некоторых случаях, таких как черная дыра Рейсснера-Нордстрема-де Ситтера, можно вообще избежать центральной сингулярности и жить вечно в неизвестной вселенной».

По общему признанию, говорит Питер Хинтц, заряженные черные дыры вряд ли будут существовать, поскольку они будут привлекать противоположно заряженную материю, пока не станут нейтральными. Однако математические решения для заряженных черных дыр используются для понимания того, что произойдет внутри них. Хинтц утверждает, что гладкие вращающиеся черные дыры, называемые черными дырами Керра-Ньюмана-де Ситтера, будут вести себя всегда одинаково.

«Вы можете отправиться к электрически заряженной звезде, которая претерпевает изменения в черную дыру, а затем путешествуете возле этой черной дыры, и если параметры черной дыры достаточно приемлемы, возможно, вы сможете просто пересечь горизонт Коши, выживете внутри нее, но даже зная полное начальное состояние звезды, вы не сможете предсказать, что произойдет в будущем», — сказал Хинтц. «Это уже не определяется полным знанием начальных условий».

«Ученые были довольны в течение примерно 20 лет, с середины 90-х годов, тем, что сильная космологическая цензура всегда права», — говорит Питер Хинтц. «Мы бросаем вызов этой точке зрения».

Больше информации: Vitor Cardoso et al. Quasinormal Modes and Strong Cosmic Censorship, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.031103