Горизонт событий — это граница в пространстве-времени, после пересечения которой уже невозможно передать сигнал внешнему наблюдателю. Чаще всего о нем говорят применительно к черным дырам: свет и вещество могут попасть внутрь, но выйти обратно не способны. При этом сам горизонт не похож на линию — падающий объект может пересечь его, не заметив в этот момент никакой преграды, в том числе и визуальной.
Горизонт событий — это граница в пространстве-времени, из-за которой сигнал уже не может попасть к внешнему наблюдателю. Наружу не могут выйти ни вещество, ни свет.
Горизонт событий не является стеной или оболочкой в физическом смысле. Его нельзя увидеть как четкую линию или почувствовать при пересечении. Для падающего объекта это просто определенная область пространства-времени.
Размер горизонта зависит от массы черной дыры. Для невращающейся черной дыры радиус составляет примерно 3 км на каждую массу Солнца: около 30 км при 10 солнечных массах и около 3 млн км при миллионе солнечных масс.
Внешний и падающий за горизонт событий наблюдатели видят происходящее по-разному. Издалека объект кажется все более медленным, красным и тусклым. Для самого объекта время идет нормально, и горизонт он пересекает за конечный промежуток времени.
За горизонтом находится внутренняя область черной дыры. Согласно общей теории относительности, все возможные пути в будущее там ведут дальше внутрь, а падение невращающегося объекта заканчивается в сингулярности.
Что именно происходит в сингулярности, неизвестно. Общая теория относительности в этих условиях перестает давать полноценное физическое описание, а законченной теории квантовой гравитации пока нет.
Что такое горизонт событий простыми словами
В физике горизонтом событий называют границу, отделяющую события, которые еще могут повлиять на наблюдателя, от тех, информация о которых до него уже никогда не доберется. Для передачи информации нужен физический сигнал — например, свет или гравитационная волна. Если даже такой сигнал не может попасть из одной области пространства-времени в другую, между ними существует горизонт событий.
Чтобы примерно визуализировать горизонт событий, можно представить реку, которая ускоряется перед водопадом. Пока течение слабее максимальной скорости лодки, она способна развернуться и уйти вверх по реке. Но если существует граница, после которой течение неизбежно несет лодку к водопаду, вернуться уже нельзя. У черной дыры роль такой границы играет горизонт событий.
Аналогия помогает понять общий принцип, но гравитация черной дыры устроена сложнее обычного течения. В общей теории относительности массивный объект искривляет пространство-время. За горизонтом это искривление таково, что все возможные будущие пути света и вещества направлены дальше внутрь. Выбраться наружу нельзя не потому, что объекту условно не хватает мощности двигателя, а потому, что среди допустимых путей в будущее направления наружу уже нет.
Горизонт событий нематериален. У него нет оболочки, о которую можно удариться, и он не светится. Если достаточно большой объект свободно падает в сверхмассивную черную дыру, момент пересечения границы может ничем локально не выделяться. Определить наличие горизонта позволяет не его вещество или внешний вид, а устройство пространства-времени.
Горизонт событий используют не только для обозначения границы в пространстве-времени. Горизонты возникают и в космологии. Из-за расширения Вселенной существуют настолько удаленные области, что свет, отправленный оттуда сейчас, никогда не достигнет нас в будущем. Такая граница называется космологическим горизонтом событий. Его не следует путать с горизонтом частиц — пределом области, свет из которой уже успел прийти к нам за время существования Вселенной.
Горизонт может появляться и в других физических ситуациях. Например, если наблюдатель постоянно движется с ускорением, часть пространства для него становится недоступной: сигналы оттуда никогда его не догонят. Такую границу называют горизонтом Риндлера. Похожий принцип работает и в акустике: в сверхзвуковом потоке звук уже не может распространяться против движения среды.
Горизонт событий черных дыр
У черной дыры горизонт событий окружает область, из которой наружу уже не может выйти ни вещество, ни излучение. Это и делает объект черной дырой в классическом понимании.
Для невращающейся черной дыры размер горизонта определяется радиусом Шварцшильда:
Rₛ = 2GM / c²,
где G — гравитационная постоянная, M — масса объекта, c — скорость света.
Радиус растет прямо пропорционально массе. Для массы, равной массе Солнца, он составляет примерно 3 км. Это не означает, что Солнце является черной дырой: чтобы оно превратилось в нее, всю солнечную массу пришлось бы сжать до области радиусом около трех километров. Для Земли соответствующий радиус составляет всего около 9 мм.
У черной дыры в десять солнечных масс горизонт располагался бы примерно в 30 км от центра. У объекта массой в миллион Солнц радиус составил бы уже около 3 млн км. Поэтому сверхмассивные черные дыры могут иметь горизонты размером в миллионы или миллиарды километров.
С вращающимися черными дырами сложнее. Их описывает решение Керра: вокруг такого объекта кроме внешнего горизонта возникает эргосфера — область, в которой вращение черной дыры увлекает за собой само пространство-время. Теоретические заряженные черные дыры также могут иметь более одного горизонта, хотя большой электрический заряд у реальных астрофизических объектов, вероятно, быстро нейтрализовался бы окружающим веществом.
Особенно необычно выглядит падение вещества к горизонту для разных наблюдателей.
Человек, находящийся далеко от черной дыры, не увидит, как падающий объект в обычном смысле пересечет горизонт. Чем ближе тот оказывается к границе, тем сильнее проявляется гравитационное замедление времени. Сигналы приходят все реже, а их длина волны увеличивается — происходит гравитационное красное смещение. Объект кажется замедляющимся, становится все более красным и тусклым, пока его излучение практически не исчезает из наблюдаемого диапазона.
Это не означает, что сам падающий объект действительно останавливается во времени. По его собственным часам движение продолжается нормально, и горизонт пересекается за конечный промежуток времени. Таким образом, «замирание» у границы — результат того, как сигналы от падающего тела доходят до далекого наблюдателя.
Дальнейшая судьба объекта зависит в том числе от массы черной дыры. Гравитация действует на ближнюю и дальнюю стороны тела с разной силой. Возникают приливные силы, в теории способные растянуть и разрушить объект — этот процесс называют спагеттификацией.
У черных дыр звездной массы различие гравитационных сил на небольшом расстоянии очень велико, поэтому объект может быть разрушен еще до прохождения горизонта. У сверхмассивной черной дыры градиент гравитации непосредственно у горизонта меньше. В этом случае человек теоретически способен пересечь границу целым, хотя по мере дальнейшего падения приливные силы все равно станут разрушительными.
В фантастике черные дыры нередко представляют как огромные космические пылесосы, которые затягивают в себя окружающее пространство и объекты. Но подобное сравнение неверно. На большом расстоянии объект с той же массой создает такое же гравитационное притяжение независимо от того, является он черной дырой или нет. Если бы Солнце каким-то образом заменить черной дырой той же массы, Земля продолжила бы двигаться по своей орбите. Опасность возникает при сильном сближении, когда становятся существенными экстремальное искривление пространства-времени и приливные силы.
Нельзя увидеть и сам горизонт. По крайней мере, как четкую границу. Астрономы наблюдают вещество вокруг черной дыры — например, горячий аккреционный диск. Газ в нем разгоняется, нагревается и испускает мощное излучение еще до того, как пересечет горизонт. В некоторых системах возникают и релятивистские джеты — узкие потоки вещества и энергии вдоль оси вращения.
Что находится за горизонтом событий черной дыры
За горизонтом событий находится внутренняя область черной дыры. По общей теории относительности, после пересечения этой границы объект уже не может повернуть обратно: все возможные пути в будущее ведут дальше внутрь. Даже свет, направленный наружу, не способен покинуть черную дыру.
Для невращающейся черной дыры расчеты общей теории относительности показывают, что падение заканчивается в сингулярности — области в центре, где кривизна пространства-времени в математической модели становится бесконечной. У вращающейся черной дыры внутренняя структура сложнее, а сингулярность описывается как кольцевая.
Что происходит в самой сингулярности, физики пока не знают. Именно здесь уравнения общей теории относительности перестают давать полноценное физическое описание: появление бесконечных значений говорит о том, что для таких условий нужна теория, которая учитывает и гравитацию, и квантовые эффекты. Законченной теории квантовой гравитации пока нет.
Проверить происходящее за горизонтом событий напрямую невозможно. Свет, радиоволны и другие сигналы оттуда не выходят, поэтому внешний наблюдатель не может получить информацию о внутренней области черной дыры. Мы знаем о ней только то, что следует из физических моделей.
Гипотезы о кротовых норах, выходах в другие области пространства-времени или другие Вселенные существуют, но наблюдательных подтверждений у них нет.
Вопросы и ответы
Ответили на распространенные вопросы о горизонте событий.
Почему горизонт событий так называется?
За этой границей происходят события, информацию о которых внешний наблюдатель уже никогда не получит. Название напоминает обычный горизонт: он тоже ограничивает видимую область, хотя причина в данном случае связана не с геометрией поверхности Земли, а со структурой пространства-времени.
Можно ли увидеть горизонт событий?
Сам горизонт не излучает свет и не является материальной поверхностью. Астрономы могут наблюдать вещество около черной дыры и ее «тень» — темную область на фоне излучения окружающего газа. Это позволяет изучать окрестности горизонта, но не дает возможности увидеть происходящее за ним.
Какого размера горизонт событий?
Размер зависит прежде всего от массы черной дыры. Для невращающегося объекта радиус Шварцшильда составляет примерно 3 км на каждую массу Солнца. Поэтому у черной дыры в 10 солнечных масс он равен примерно 30 км, а у объекта массой в миллион Солнц — около 3 млн км.
Останавливается ли время на горизонте событий?
Для самого падающего объекта — нет. Его часы продолжают идти, и горизонт он пересекает за конечное время. Удаленному наблюдателю падение кажется все более медленным, потому что сигналы из сильного гравитационного поля приходят с возрастающей задержкой и красным смещением.