Что происходит под горизонтом событий чёрной дыры?

======= НАЧАЛО ОТВЕТА ТУТ =======

Повторю ещё раз! Никому доподлинно неизвестно, что творится в глубине чёрных дыр. Наши догадки строятся на базе наиболее успешной теории гравитации, которая внутри чёрных дыр местами не работает. Мы упираемся в границы применимости научной теории. Сильно глубже горизонта событий рассуждать не рекомендуется, более-менее достоверно можно размышлять лишь о близких окрестностях (с обеих сторон, причём) горизонта событий.

Что ж, начнём рассмотрение с шварцшильдовской чёрной дыры. Вне горизонта замедление времени описывается функцией хода, являющейся одним из компонентов метрики Шварцшильда. Остальная часть метрики описывает искривлённое пространство вокруг чёрной дыры (под действием тяготения). Представляются три пространственных измерения как радиус и два угловых измерения. Вне горизонта эти три направления представляют три измерения пространства. Для свободно падающего наблюдателя решение Шварцшильда на горизонте становится идеально гладким. Остаётся только сингулярность в центре чёрной дыры. Иными словами, падающий в чёрную дыру, пересекающий горизонт событий -- не заметит ничего особенного. Только обратно уже не получится выйти.

Картинка схематично отражает геометрию чёрной дыры. Вдали от горизонта событий пространство-время плоское. Чем ближе к горизонту -- тем искривление сильнее, но от времени оно не зависит (статично). Под горизонтом событий пространство-время становится динамическим: с течением времени два пространственных измерения сжимаются, а третье (отсутствующее на рисунке) удлиняется. Космонавт не может перестать двигаться внутрь. Время внутри чёрной дыры отличается от времени снаружи -- оно идёт "внутрь". Двигаться вперёд по времени равносильно движению внутрь к центру. И так до тех пор, пока всё пространство не вытянется и не сожмётся в бесконечно длинную и тонкую сингулярность (будущее внутри чёрной дыры ограничено сингулярностью).

Провалившийся под горизонт СМЧД космонавт уже испытывает некоторое воздействие приливных сил, но незначительное. Приливные силы, вызванные гравитационным притяжением чёрной дыры, будут быстро расти по мере того, как космонавт приближается к сингулярности. Растущая мощь приливных сил перераспределит космонавта на атомы, оторвёт электроны ядер, ядра разорвёт на протоны и нейтроны, а их -- на кварки и глюоны. Современные воззрения говорят, что вроде как кварки, глюоны и электроны -- точечные и неделимые. А значит, что будет дальше -- загадка. Но согласно решениям -- два угловых направления в трёхмерном пространстве сжимаются всё сильнее по мере приближения к сингулярности, а третье пространственное направление (которое для нас вне чёрной дыры было временем) испытывает ещё более радиальное растяжение. Вся материя сплющивается и растягивается в бесконечно тонкую линию. Такой вот бесславный и незавидный конец для нашего смелого космонавта. Неплохие визуализации по расчётам можно посмотреть здесь и здесь (даже с аккреционными дисками!). Звучит фантастически? Но теоретикам этого недостаточно!! Даже теоретики воскликнут -- вздор, разве существуют чёрные дыры без спина? Явно решение Шварцшильда не соответствует действительности, давайте узнаем, что таит за собой решение Керра?

Геометрия пространства-времени внутри горизонта вращающейся чёрной дыры сильно отличается от пространства-времени Шварцшильда. В решении Керра сингулярность ведёт себя по-другому и даже внезапно. Сначала -- всё похоже. При пересечении внешнего горизонта пространство-время начинает коллапсировать само в себя, увлекая вслед всё за собой по направлению к центру чёрной дыры, а приливные силы начинают расти. Но коллапс пространства-времени внутри горизонта через некоторое время замедляется и, внезапно, обращается вспять на уровне, называемом внутренним горизонтом. Хоть это и не сингулярность, но тут уравнения поля в некотором смысле ломаются и однозначно сказать, что происходит с пространством-временем в этих окрестностях, просто невозможно. Теоретики и тут вытворяют (и к этому следует относиться с предельной осторожностью!) и спекулируют, дескать, ежели допустить, что решение Керра (максимально гладкое, насколько возможно) распространяется и под внутренний горизонт, то там пространство-время ещё более причудливо -- в присутствии кольцевой сингулярности возникают области отрицательной массы с замкнутыми времениподобными кривыми в них. То есть, имеются траектории, по которым наблюдатели могли бы двигаться назад во времени.

То есть, в керровском случае прежде, чем радиус обратится в нуль, коллапс замедляется и начинает идти вспять. В быстро вращающейся чёрной дыре это произойдёт задолго до того, как приливные силы станут достаточно большими, чтобы угрожать целостности нашего неуязвимого космонавта. В точке внутреннего горизонта приливные силы невелики и падающий космонавт достигнет его за конечное время. Тут коллапс останавливается. Но… Когда космонавт достигает внутреннего горизонта, керровская сингулярность обнаруживает своё присутствие -- но оказывается, что это происходит в причинном прошлом мировой линии космонавта. Это как если бы сингулярность была там всегда, но только теперь космонавт почувствовал, как её влияние достигло его.

Давайте ещё раз повторим! Проблема с сингулярностью, появляющейся в прошлом космонавта, достигающего внутреннего горизонта, заключается в том, что в этот момент уравнения Эйнштейна не могут однозначно предсказать, что произойдёт с пространством-временем вне этого горизонта. В некотором смысле присутствие сингулярности может привести к чему угодно. Описание может по силам теории квантовой гравитации, но уравнения Эйнштейна тут бессильны.

Дальнейшая спекуляция возможна лишь в случае, если потребовать, чтобы пересечение горизонта пространства-времени было настолько гладким, насколько это математически возможно (если функции метрики будут, выражаясь математически, "аналитическими"), но никаких ясных физических оснований для такого предположения нет.

Но сингулярность в прошлом -- не единственная проблема. Пространство-время у внутреннего горизонта становится весьма негладким, и там развивается петлеобразная сингулярность. Уже её присутствие ставит крест на следствиях, вытекающих из представления о гладких аналитических функциях. Более того, на внутренний горизонт влияет вещество вне чёрной дыры. Причина влияния кроется в неодинаковом течении времени внутри и снаружи чёрной дыры и в том, как сказывается на этом различии обратный ход коллапса, вызванный вращением пространства-времени.

Что увидит космонавт, решивший оглянуться в сторону удалённого наблюдателя (который никогда не сможет заглянуть под горизонт событий)? Во-первых, эффекты течения времени будут обратны тем, которые видит смотрящий внутрь внешний наблюдатель. События во внешнем мире покажутся космонавту разворачивающимися всё быстрее и быстрее. И бонусом -- гравитационное голубое смещение. К чему оно приводит? Свободное падение сквозь внешний горизонт приводит к значительному эффекту Доплера, который частично противодействует гравитационному сокращению времени. Так что пролёт сквозь горизонт будет обыденным. Однако, уже внутри, обращение вспять коллапса пространства-времени, произошедшее в результате вращения чёрной дыры, тут же приведёт к фактическому замедлению космонавта. По достижении внутреннего горизонта, эффект Доплера уже не сможет противостоять гравитационному сокращению времени, и оно (как и голубое смещение) станет бесконечным. То есть, за конечный отрезок собственного времени космонавт мог бы пронаблюдать всю бесконечную временную эволюцию внешней Вселенной. Но прежде -- коротковолновые фотоны (из-за голубого смещения) гарантированно испепелят любого космонавта, даже Чака Норриса. Это явление называется голубой сингулярностью (blue sheet singularity).

Теперь вы понимаете, почему предположение о гладкости внутреннего горизонта неоправданно. Если только рассматривать стерильный случай керровской чёрной дыры в идеальном вакууме без каких-либо фотонов и вещества. То есть, пустую умозрительную абстракцию.

Что говорит нам наиболее гладкое из всех возможных вариантов математического расширения решения Керра? Пересекая внутренний горизонт, выживший в искусственно опустошённой Вселенной космонавт оказывается в новой ветви Вселенной. Сингулярность имеет форму вращающегося кольца, кривизна и приливные силы которого обращаются в бесконечность при приближении к нему. В отличие от шварцшильдовской сингулярности (появляющейся в некоторый момент будущего для любой траектории падения), керровская кольцевая сингулярность имеет определённую пространственную локализацию и попадания в неё можно было бы избежать. В такой иллюзорной абстракции даже существует область пространства-времени, в которой имеются замкнутые времениподобные кривые. В такой области работает машина времени. Существуют траектории движения (не геодезические), которые доставят счастливчика в область замкнутых времениподобных кривых. Там уже можно двигаться в любом направлении по координате t, отражающей время удалённого наблюдателя (но по собственному времени наш сказочный космонавт всё равно всегда будет двигаться вперёд). Даже при всей сказочности и заведомо ложных допущениях решения -- ОТО содержит указания на то, что области пространства-времени с замкнутыми времениподобными кривыми неустойчивы. При попытке совместись с одной из этих кривых какое-то количество массы или энергии, эти области могут стать сингулярными. Так что -- даже в случае очень умозрительных и крайне абстрактных спекуляций для мечтающих о машине времени у меня плохие новости.

О содержимом чёрных дыр можно почитать в продвинутой научпоп-книжке (она чуть сложнее типичных научпопов, но и темы тут поднимаются тяжелее) Стивена Габсера и Франса Преториуса "Маленькая книга о чёрных дырах". Книга популярно, но грамотно, знакомит читателя с представлением о дифференциальной геометрии (метрики, геодезические, кривизна), о сложности численного моделирования уравнений Эйнштейна, о тонкостях установки LIGO для регистрации гравитационных волн, о применяемых шаблонах фильтрации и т.д. Научным редактором выступил Сурдин В.Г., перевёл книгу пулковский астроном Масленников К.Л. Наиболее продвинутые читатели могут напрямую связаться с автором книги Франсом Преториусом по поводу применяемых численных методов.