Как убежать из-под горизонта черной дыры

Космологическая черная дыра, предсказываемая общей теорией относительности, явление уникальное. Загадочная сингулярность и горизонт, пройти через который можно только по направлению к её центру. Из цепких смертельных объятий гравитационного монстра вырваться невозможно. А если всё-таки попробовать?

Существование черной дыры было предсказано очень давно, задолго до появления общей теории относительности. Однако, затем долгие годы ученые не были уверены в том, что они существуют. Многие попытки их обнаружения были безуспешными. И лишь в последние годы появились четкие, бесспорные доказательства их существования.

«Черной дырой называют область пространства-времени, в которой гравитационное поле настолько сильно, что не позволяет даже свету покинуть эту область и уйти в бесконечность…
Поскольку сигналы не могут выйти из черной дыры, а физические тела и излучение могут в нее падать, поверхность черной дыры играет роль своеобразной мембраны, а граница черной дыры в пространстве-времени, называемая горизонтом событий, является световой поверхностью…» [1]

Столь жесткие ограничения на взаимодействие с черными дырами, кажется, делает невозможным или крайне сложными вопросы как их изучения, так и практического использования. Тем не менее, ученые нашли лазейку и здесь. Даже у такой неприступной системы можно отобрать и использовать энергию:

«Напомним, что хотя по определению черная дыра — это область, откуда никакие тела и световые лучи не могут выйти наружу, существуют ситуации, когда с помощью определенных физических процессов можно извлекать из черной дыры энергию» [1].

Более того, теоретические исследования приводят к совершенно фантастическим выводам:
«Поскольку черные дыры, скорее всего, существуют, путешествие во времени принципиально возможно. Отправившись на космическом корабле внутрь сверхмассивной черной дыры в ядре галактики, отважный космонавт увидит будущее». [3]

Правда, у таких «путешествий», мягко говоря, есть серьёзный изъян:
«Но при этом он не сможет вернуться назад и не сможет передать нам какую-либо информацию об увиденном им будущем. Сделать это ему помешает горизонт событий черной дыры». [3]

Тут уже речь может идти не о туристической поездке, а о сохранении самой жизни:
«Таким образом, решившись путешествовать во времени внутри сверхмассивной черной дыры, космонавт обрекает себя на самоубийство — он никогда не вернется назад, в нашу Вселенную, а при приближении к центральной сингулярности будет разорван приливными силами. [3]

Такой фатальный исход от «посещения» внутренней области черной дыры признают практически все исследователи:
«Следовательно, любой безрассудный специалист по ракетной технике, рискнувший попасть под гравитационный радиус r = 2M внешнего гравитационного поля, обречен на гибель». [4]

И хотя в исследованиях свойств этих сверхмассивных объектов не всегда прямо указывается фатальный исход таких путешествий, смысл обычно очевиден: это путешествие без возврата. А наличие в черных дырах плотно сжатого вещества явно предсказывает судьбу путешественника:

«В идеализированном сферически симметричном случае поверхность звезды сжимается под свой гравитационный радиус («горизонт»; прекращение связи с внешним миром; точка, из которой нет возврата). [4]

Слабой надеждой остаётся даже другой вывод из теории относительности. Считается, что она предсказывает существование так называемых «кротовых нор» - особых переходов между отдалёнными частями Вселенной. Вроде бы, это должно обнадежить, хотя норы эти довольно замысловатые:

«Частицы, упавшие в одну черную дыру, покажутся частицами, выпущенными из другой, и наоборот.
Звучит так, будто именно это и требуется, чтобы позволить космические путешествия через черные дыры. Вы просто направляете свой космический корабль в подходящую черную дыру. Впрочем, лучше в дыру побольше, а то гравитационные силы разорвут вас на части, превратив в спагетти, прежде чем вы проникнете внутрь. Потом вам останется надеяться, что вы появитесь вновь из какой-то другой дыры, но где — вы выбирать не сможете». [5]

Получается почти как в сказке: пойди туда, не знаю куда. А то и «направо пойдёшь – коня потеряешь». Не говоря уже о кошельке - даже собственной жизни. Ничто и никогда из черной дыры не вернётся:
«В предыдущем разделе мы принимали, что в удалении от коллапсирующей звезды можно предсказать будущее. Как было показано, из этого предположения следует, что звезда уходит за горизонт событий, который скрывает сингулярность от внешнего наблюдателя. Материя и энергия, пересекающие горизонт событий, будут навсегда потеряны для внешнего мира». [2]

Довольно печальная ситуация. Хотя, если задуматься, все эти изыскания имеют скорее исследовательский интерес, нежели выражают стремление найти им практическое применение. Впрочем, многие когда-то непонятные явления не сразу были приняты к использованию. А научные объяснения их очень часто оказывались ошибочными и с течением времени отбрасывались.

С горизонтом событий черных дыр в рассматриваемом случае имеется довольно необычное решение, идущее вразрез со строго доказанными и общепринятыми выводами. Прямо или косвенно признаётся всеми: выйти из-под горизонта черной дыры невозможно.

Однако, это справедливо для одиночной черной дыры. Механику Ньютона пока никто не отменял и многие её положения должны быть справедливы и в отношении черных дыр. Например, известна так называемая точка Лагранжа. Почему бы ей не быть и внутри системы из двух черных дыр?

«Точки Лагранжа, точки либрации (лат. libratio — раскачивание) или L-точки — точки в системе из двух массивных тел, в которых третье тело с пренебрежимо малой массой, на которое не действуют никакие другие силы, кроме гравитационных сил со стороны двух первых тел, может оставаться неподвижным относительно этих тел». [6]

На каком расстоянии от двух черных дыр должен находиться космический корабль, чтобы его не затянуло под горизонты? А если дыры сблизятся настолько, что их горизонты пересекутся? В этом случае, очевидно, корабль окажется одновременно под горизонтами обеих черных дыр. Правда, вопрос остаётся в силе: сможет ли он вырваться из этих двух горизонтов? Пока даже и неважно, что именно увидит исследователь на этом корабле, если он не сможет рассказать об увиденном тем, кто остался снаружи.

И расчеты показывают: есть несколько странное решение задачи, из которого следует вывод о возможности выйти из-под горизонта черной дыры. Оказывается, что выход из точки Лагранжа перпендикулярно к оси, соединяющей центры черных дыр, возможен, по крайней мере, с позиций ньютоновой механики. Из истории известно, что черные дыры были предсказаны без использования теории относительности. Конечно, эти предсказания умаляются утверждениями, что ошибки тут, ошибки там в целом компенсировали друг друга, вследствие чего получился результат, полностью совпадающий с результатами, полученными с помощью уравнений общей теории относительности. Пусть так. Предлагаемый здесь к рассмотрению полученный с помощью ньютоновой физики результат и в этом случае вполне интересен.

Первые, прикидочные расчеты показали, что при сближении двух одинаковых черных дыр между ними образуется линзообразная полость с особыми гравитационными свойствами. Однако, не было видно, есть ли у этой линзы открытые края или они также замыкают горизонты двух дыр, щель не образуется и ускользнуть не удастся. Рассмотрим эти выкладки подробнее.

Две одинаковые сверхмассивные черные дыры сближаются и в некоторый момент времени находятся на таком расстоянии, что их гравитационные радиусы сначала касаются друг друза, затем немного перекрываются. То есть, горизонт одной дыры оказывается под горизонтом другой.

Очевидно, что на середине оси, соединяющей центры двух дыр, обе дыры притягивают пробное тело с одинаковой силой. Поэтому, находясь формально под горизонтами обеих дыр, тело, тем не менее, не падает на сингулярности этих дыр. В случае же отклонения по перпендикуляру от этой точки, тело испытывает совсем не те усилия, что при обычном попадании под горизонт.

Такой вновь образованный горизонт, по сути, является фантомным. Он имеет форму тонкого кольца с «обратными» гравитационными свойствами. Если при пересечении классического горизонта дыры по направлению к её центру тело движется ускоренно, то внутрь этого фантомного горизонта-кольца тело движется замедленно. Чем ближе к его центру, тем меньшее усилие действует на тело. А это означает, что в принципе есть возможность с помощью двигателей космического корабля удержаться вблизи этого кольца.

Однако, преодолеть его своими силами он не может. Эта уклончивая фраза, как легко догадаться, намекает, что с помощью других сил он, видимо, преодолеть эту границу может. Что это могут быть за силы? Самое очевидно – гравитационные. Действительно, если с внешней стороны к космическому кораблю приблизить, например, достаточно массивную нейтронную звезду, то её притяжения может оказаться достаточным, чтобы корабль вырвался из-под фантомного кольцевого горизонта.

Но можно предположить и более общий вариант, что в процессе сближения черные дыры образуют своеобразный тоннель между своими горизонтами. Через этот тоннель фантомного горизонта корабль мог бы уйти и без посторонней помощи.

Выполненные на компьютере вычисления позволили получить массивы данных координат искомого фантомного горизонта двух сближающихся черных дыр для разных расстояний между ними. На анимации к статье заключительный этап сближения черных дыр показан в замедленном виде. 

Исходные, собственные горизонты черных дыр показаны синей и зелёной штриховыми линиями, а вновь образованные горизонты – красной и горчичной сплошными линиями, соответственно. Крайний справа фрагмент соответствует удалённости дыр друг от друга порядка 10 гравитационных радиусов. Крайний левый фрагмент соответствует сближению приблизительно на 1,7 гравитационных радиуса. Видно, как деформируются горизонты дыр и образуется тоннель фантомного горизонта, который впоследствии неизбежно закрывается. На расстоянии 1,756 гравитационных радиусов в принятых условиях задачи гравитационный тоннель закрывается, пробное тело оказывается в ловушке.
Линзообразная внутренняя полость с точкой Лагранжа при дальнейшем сближении смыкается и две черные дыры сливаются в одну.

На анимации хорошо заметно, как «раздуваются» и деформируются горизонты обеих черных дыр. Это должно быть понятно. Приближение к черной дыре «помощницы» позволяет ей захватывать своим горизонтом более удалённые объекты. Очевидно, что наблюдатель, находящийся между черными дырами может рассматриваться как находящийся под горизонтом лишь с некоторыми оговорками. Как видно на рисунке, горизонты деформировались, сместились к центрам собственных дыр. Образовавшаяся линзообразная полость может и не рассматриваться как находящаяся под горизонтом.

Тем не менее, согласно расчетам общей теории относительности, эта точка явно находится в пределах гравитационного радиуса звезды, поэтому придётся либо признать, что точка – под горизонтом, либо внести интерпретационные корректировки в расчеты ОТО, признающие возможность такой «деформации» горизонта и уменьшения гравитационного радиуса от расчетного. В этом случае у черной дыры если и не отросли волосы, то уж что-то напоминающее ямочку на подбородке явно просматривается.

В заключение можно отметить, что проверить на практике возможность «посещения с возвратом» внутренней области черной дыры в принципе возможно. К нам, как известно, приближается галактика Андромеда. Когда-то сверхмассивные черные дыры в центрах галактик Млечный Путь и Андромеда встретятся. Конечно, массы их не одинаковые, но суть явления меняется не сильно.

Полный текст статьи с подробными вычислениями и иллюстрациями находится по адресу [7].


Литература
1.Новиков И.Д., Фролов В.П., Физика черных дыр. – М. : Наука., Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986, 328 с.
2.Хокинг С., Эллис Дж., Крупномасштабная структура пространства-времени. М.: «Мир», 1977.
3.Черепащук А. М., Чернин А. Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. — Фрязино: «Век 2», 2004. — 320 с. — (Наука для всех).
4.Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж., Гравитация, Том 3. – М.: «Мир», 1973
5.Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные / Стивен Хокинг ; [пер.с англ. М. Кононова]. — СПб.: Амфора. ТИД Амфора, 2009. —166 с.
6.Точки Лагранжа, Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Точки_Лагранжа
7.Путенихин П.В., Как убежать из-под горизонта черной дыры, 2015 [расчеты показывают, что есть несколько странное решение задачи, из которого следует вывод о возможности выйти из-под горизонта черной дыры], URL: 
http://samlib.ru/editors/p/putenihin_p_w/escape.shtml

Иллюстрации и уравнения к статье (зеркала)
http://samlib.ru/p/putenihin_p_w/
https://cloud.mail.ru/public/8WpP/qeaUMAiGz
https://cloud.mail.ru/public/Hq7e/jZ9YZGJW9
https://yadi.sk/d/EZg36rrKmJDwk
http://fileload.info/users/putenikhin/