Астрофизик Александр Шацкий о приливных силах, горизонте событий и свойствах черных дыр
Судьба объекта, попавшего в черную дыру, зависит от многих факторов: в основном от ориентации падающего человека (направление «ноги ― голова» совпадает или нет с направлением на центр), массы черной дыры, ориентации вращения черной дыры относительно направления падения. Но главное, чего стоит бояться, — приливных сил, то есть высоких градиентов (перепадов) сил гравитации.
Чем больше черная дыра, тем меньше приливные силы действуют на любой объект на границе черной дыры, то есть на горизонте событий. Можно сказать, что источник гравитации сосредоточен в центре черной дыры. Поэтому вблизи горизонта событий более массивная черная дыра оказывается менее опасной для человека и других объектов, чем менее массивная черная дыра (исключительно в смысле разрыва объекта приливными силами в этом моменте — нахождении на границе). С одной стороны, это кажется парадоксальным, но объясняется это просто: если черная дыра большая, то до ее центра расстояние больше, поэтому и влияние на ее границе оказывается меньше.
Черная дыра может быть реальной, а может быть шварцшильдовской. Шварцшильдовская черная дыра — простейшая черная дыра, модель которой была предложена немецким астрономом и физиком Карлом Шварцшильдом в начале XX века. Она не имеет электрического заряда и не обладает вращением. Сначала предполагали, что ни маленькое вращение, ни маленький заряд не должны принципиально изменить свойства черной дыры, но оказалось, что это меняет свойства черной дыры кардинально: она становится реальной.
У реальной черной дыры два горизонта: внешний — горизонт событий (точнее, горизонт видимости) и внутренний — горизонт Коши. Между двумя горизонтами существует Т-область, где движение для любых объектов возможно только в одну сторону: свет, частица или человек будут двигаться только внутрь. Приливные силы будут нарастать по мере движения в этой Т-области к внутреннему горизонту Коши. Удивительно, но под внутренним горизонтом Коши движение объекта к центру резко замедляется (в некотором смысле в координатах, сопутствующих самому объекту).
После остановки в сопутствующих объекту координатах объект начинает выталкиваться наружу — в другую вселенную (топология для реальных черных дыр нетривиальная, в ней существует связь между разными вселенными, и объект должен выталкиваться в другую вселенную). В точке остановки (ее называют еще точкой поворота, точкой горловины) существуют максимальные приливные силы для данной черной дыры, данного объекта и начальных условий падения этого объекта (в других условиях этот максимум будет уже другим, но всегда конечным).
Человек может быть уничтожен, разорван приливными силами на любом этапе. Это может случиться еще до попадания под внешний горизонт, если черная дыра достаточно маленькая. Скорее всего, человек будет уничтожен между горизонтами черной дыры.
На горизонте событий центральной в нашей Галактике черной дыры достаточно маленькие приливные силы, поэтому человек сможет пролететь его и какое-то время будет лететь между горизонтами без разрыва. Сегодня мы пока еще не знаем, где располагается внутренний горизонт у этой черной дыры, но предполагаем, что он находится примерно посередине между центром и внешним горизонтом. До центра этой черной дыры целым человек не доберется в любом случае. Ближе к одной десятой части от радиуса приливные силы уничтожили бы человеческое тело.
Приливные силы являются векторными (в случае сильного вращения черной дыры ее приливные силы являются тензорными), то есть действуют в одном направлении. Если человек летит к центру черной дыры ногами вперед, то его будет растягивать, ноги будут постепенно отрываться от головы приливными силами: они находятся ближе к центру и притягиваются к нему сильнее, чем голова.
Если черная дыра сильно вращается (то есть когда ее угловой момент приближается к ее квадрату массы в теоретических единицах измерения), то кроме продольных приливных сил существенное влияние начинают оказывать также и приливные силы кручения. Человека, попавшего в черную дыру, будет закручивать и выжимать, как выжимает мокрое белье в центрифуге. И неизвестно, от чего человек погибнет быстрее: от разрывающих или выжимающих приливных сил.