Что будет, если упасть в черную дыру

В 2020 году Нобелевскую премию по физике разделили три замечательных астрофизика. Роджер Пенроуз получил половину «за открытие того, что образование черных дыр с необходимостью следует из общей теории относительности», Райнхард Генцель и Андреа Гез — вторую половину «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики». Слов «астрономы открыли черную дыру» в формулировках нет, и осторожность Нобелевского комитета понятна. Теорема Пенроуза 1965 года, которая по сути и отмечена премией, строго говоря, о другом: она утверждает, что, если коллапс объекта зашел достаточно далеко, в пространстве-времени неизбежно возникает сингулярность. То, что сингулярность будет «спрятана» за горизонтом событий, то есть возникает именно черная дыра, утверждает не эта знаменитая теорема, а так называемая «гипотеза космической цензуры». Ее сформулировал сам Пенроуз, и она до сих пор не доказана.

Черная дыра не светится (не излучает ни в каком диапазоне), поэтому все свидетельства о существовании таких объектов — косвенные. Но их много, и они получены разными независимыми друг от друга методами.

Звезда S2 обходит центр Млечного пути за 16 лет и в ближайшей точке проходит в 120 астрономических единицах (расстояние от Земли до Солнца) от него со скоростью почти 3% скорости света. Область ограниченная орбитой S2 имеет массу около 4 миллионов масс Солнца, и вся эта огромная масса «упакована» в объеме меньше Солнечной системы. Согласно законам физики, ни один объект во Вселенной (будь то скопление нейтронных звезд, белых карликов или темной материи) не может быть настолько плотным и при этом стабильным в таком малом объеме. Единственное возможное объяснение — это сверхмассивная черная дыра. (Именно это и доказали Райнхард Генцель и Андреа Гез). Она получала название Sgr A*.

Но самый сильный аргумент в пользу существования черных дыр не так известен как знаменитая S2: у этих объектов, по-видимому, нет поверхности. Вещество, падающее на твердую поверхность, разогревало бы ее, и она светилась бы в инфракрасном диапазоне. Объект Sgr A* для этого слишком тусклый. Эвери Бродерик, Абрахам Лёб и Рамеш Нараян показали в 2009 году, что наблюдения почти не оставляют места никаким другим объяснениям кроме горизонта событий.

Наконец, гравитационные волны. Сигнал GW250114, пойманный гравитационным детектором LIGO в январе 2025 года, оказался настолько чистым, что удалось расслышать «звон» образовавшейся дыры и проверить теорему Хокинга: при слиянии черных дыр суммарная площадь горизонтов событий выросла.

Можно ли предложить другое объяснение этим наблюдениям? Теоретики предлагали бозонные звезды, гравазвезды, «пушистые клубки» теории струн. Но каждое новое наблюдение оставляет этим альтернативным теориям все меньше шансов. Хотя вопрос и не закрыт окончательно, ничего лучше, чем черные дыры, для объяснения наблюдений, о которых шла речь, у нас нет, поэтому мы и считаем, что черные дыры есть во Вселенной и играют очень важную роль.

Сама черная дыра устроена исключительно просто. Ее полностью описывают три числа: масса, момент вращения и электрический заряд, хотя у реальных дыр заряд практически нулевой. Все из чего черная дыра образовалась с нашей точки зрения — стирается.

Для простоты мы рассмотрим невращающуюся (с нулевым моментом вращения) и незаряженную черную дыру. Такая черная дыра определяется вообще одним параметром — массой. Для такой черной дыры радиус Шварцшильда в точности определяет положение горизонта событий. Радиус Шварцшильда — это критический радиус, до которого нужно сжать любой объект с массой M, чтобы его вторая космическая скорость (скорость убегания) стала равной скорости света. Размер такой черной дыры — примерно 3 км на каждую массу Солнца — чем больше масса, тем больше радиус Шварцшильда. Для черной дыры Sgr А* в центре нашей Галактики массой около 4 миллионов солнечных радиус Шварцшильда составляет примерно 12 миллионов километров (около 0,08 астрономической единицы), что значительно меньше расстояния от Меркурия до Солнца.

Масса черной дыры и решает судьбу падающего в нее: разрывает не притяжение, а его перепад, — ноги тянет сильнее, чем голову. У дыры в десять солнечных масс этот перепад на горизонте событий — около десяти миллионов g. Человека растянет буквально в ниточку за тысячи километров до горизонта событий. Но у Sgr A* перепад на горизонте — десятитысячные доли g: чем больше дыра, тем мягче вход.

За горизонтом событий меняется сама структура пространства-времени. Здесь радиальная координата становится временной. Сингулярность — это не точка в центре, к которой можно лететь или не лететь, а момент в будущем. Ее нельзя избежать, как нельзя избежать завтрашнего дня. Время от горизонта до сингулярности по часам падающего в дыру пропорционально массе дыры. Для Sgr A* это не больше минуты, для дыры в центре галактики M87 — около суток.

В последние 10⁻⁴³ секунды кривизна становится такой, что теория перестает действовать, и что происходит дальше, могла бы сказать только квантовая гравитация, которой у нас нет. Сингулярность — не объект, а граница применимости наших теорий.

Предположим, мы не хотим падать в черную дыру, но хотим к ней максимально приблизиться. Как близко можно к ней подлететь? Если бы Вселенная жила по закону Ньютона, мы могли бы подойти сколь угодно близко: по круговой орбите можно обращаться вокруг точечной массы на любом расстоянии. Но черные дыры живут по теории Эйнштейна, а здесь все совсем не так.

Последняя устойчивая орбита находится в 3 радиусах Шварцшильда: по ней можно летать сколько угодно, не тратя топлива. Если мы летим издалека (например, по гиперболической орбите) на скорости близкой к скорости света мы можем нырнуть почти до 2 радиусов Шварцшильда, и все равно успеем вернуться. На полутора радиусах по кругу движется только свет. Ближе подойти к дыре не может даже свет — его тоже затянет за горизонт событий.

У маленьких дыр границу ставит колоссальный перепад притяжения: чтобы он не превышал 10 g, к дыре в 10 солнечных масс нельзя подходить ближе нескольких тысяч километров, это сотни радиусов Шварцшильда.

Награда за близость к черной дыре — это время. Чем глубже мы погружаемся в ее гравитационное поле, тем медленнее идут часы. На последней устойчивой орбите невращающейся дыры они отстают примерно на треть. У быстро вращающейся дыры устойчивые орбиты подходят почти к горизонту, и замедление времени может быть огромным.

Это показано в фильме «Интерстеллар» (2014): на планете Миллер, вращающейся вблизи черной дыры, один час равен 7 земным годам. Научным консультантом фильма был Кип Торн, физик-теоретик из Калтеха, один из создателей детектора гравитационных волн LIGO и нобелевский лауреат 2017 года. Замысел фильма вырос из его идеи, и условие Торн поставил жесткое: ничто на экране не нарушает твердо установленных законов физики. Поэтому в фильме черная дыра Гаргантюа раскручена почти до предела, а программа, которой студия Double Negative рисовала ее изображения, дала материал для научной статьи о гравитационном линзировании — фильм сработал как полноценная научная модель.

Из путешествия к черной дыре можно вернуться — но в будущее. Можно сказать, что черная дыра — это настоящая машина времени, но работает она только в одну сторону — вперед.