Горизонт подій не має ні матеріальної поверхні, яку можна торкнутися, ні кольору, ні товщини — і водночас це найабсолютніша межа у Всесвіті. Перетніть її, і навіть промінь світла, спрямований точно назад, туди, звідки ви прийшли, не зможе вирватися. Ніщо не позначає це місце, окрім математики, яка його описує.
Саме це поєднання — межа, яка водночас скрізь і ніде, і при цьому абсолютно остаточна, — відрізняє чорну діру від будь-якого іншого об'єкта в астрономії. Планети й зорі мають поверхні, на яких у принципі можна стояти. Горизонт подій же — це межа в самому просторі-часі, і закони по обидва боки від неї різні.
Історія того, як фізики дійшли розуміння цієї межі, тягнеться від листа 18 століття до фотографії 2019 року, і вона й досі породжує ідеї, дивніші за саму чорну діру.
Межа, передбачена задовго до того, як для неї з'явилася назва
Перший начерк цієї ідеї з'явився у 1784 році, коли англійський священник і астроном Джон Мічелл припустив, що гравітація поблизу достатньо масивного й компактного об'єкта може бути настільки сильною, що навіть світло не зможе його покинути. Загальної теорії відносності тоді ще не існувало, як і назви для межі, яку описав Мічелл, — лише арифметика швидкості втечі, що перевищувала швидкість самого світла.
Назва з'явилася на кілька поколінь пізніше, десь у середині століття, майже випадково. Фізик Вольфганг Ріндлер увів термін "горизонт подій" у 1950-х роках, запозичивши слово "горизонт" для позначення того, що приховує події, а не землю. Більш строге визначення з'явилося у 1958 році, коли Девід Фінкельштейн за допомогою загальної теорії відносності описав горизонт як межу, за якою те, що відбувається, ніколи не може вплинути на зовнішнього спостерігача. Це формулювання фізики використовують і досі: горизонт подій визначається не тим, що всередині нього, а тим, що ніколи не може вирватися назовні.
Радіус, який можна порахувати на серветці
Хоч це визначення й звучить абстрактно, розмір горизонту подій — одне з найпростіших чисел у фізиці, яке можна обчислити, знаючи лише масу об'єкта. Йдеться про радіус Шварцшильда, названий на честь німецького астронома Карла Шварцшильда, який вивів цей розв'язок у 1916 році, за кілька місяців після того, як Ейнштейн опублікував саму загальну теорію відносності.
Підставте будь-яку масу — і радіус одразу випливає з формули, що дає змогу для яскравих порівнянь. Стисніть Сонце до його радіуса Шварцшильда, і воно мало б уміститися у сферу діаметром близько 3,0 км (1,9 милі). Зробіть те саме із Землею — і сфера зменшиться приблизно до 9 мм (0,35 дюйма), менше за кульку. Версія для Місяця становила б близько 0,1 мм (0,004 дюйма) — межу, яку легко загубити на кінчику пальця. Жодне з цих тіл навіть близько не є достатньо щільним, щоб справді утворити горизонт; це число лише показує, наскільки далеко вони від нього.
На протилежному кінці шкали радіус Шварцшильда надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху становить приблизно 12 мільйонів кілометрів — межа, яка легко поглинула б орбіту Меркурія.
Більше води, ніж у будь-якому океані, за мить до колапсу
Формула радіуса Шварцшильда містить справді дивний наслідок: оскільки він масштабується з масою, тоді як фізичний розмір об'єкта масштабується з кубічним коренем із його об'єму, речовина з низькою густиною теж може перетнути власну межу горизонту, якщо її просто достатньо багато. Порахуйте, скільки звичайної води можна зібрати до того, як уся ця маса колапсує під власною гравітацією, — і відповідь буде сферою з радіусом приблизно 400920754 км, тобто близько 2,67 а.о. — ширше за відстань від Сонця до пояса астероїдів.
Це та сама причина, чому найбільші чорні діри в середньому менш екстремальні за малі. Об'єм, обмежений горизонтом подій найбільш масивних чорних дір, має середню густину нижчу, ніж у звичайних зір головної послідовності. Горизонт позначає місце, де втеча стає неможливою, а не місце, де матерія стиснута до межі — і для достатньо великого об'єкта "неможливо втекти" й "розріджений, як зоря" можуть описувати одне й те саме місце.
Ви ніколи не побачите, як хтось насправді туди падає
Ось момент, який спантеличує навіть уважних читачів: горизонт подій можна перетнути лише в один бік, але ззовні ніхто ніколи не побачить самого перетину. З погляду віддаленого спостерігача об'єкти, спрямовані до горизонту подій, ніколи не досягають його насправді, бо світло, що несе те останнє зображення, так і не встигає долетіти до спостерігача. Об'єкт, що падає, здається, вічно сповільнюється, тьмяніє та зникає біля горизонту, так і не прибувши туди видимим чином.
Чи можна взагалі пережити саме падіння, повністю залежить від масштабу. Людина-астронавт зможе пережити перетин горизонту подій лише в чорній дірі з масою приблизно 10 000 сонячних мас або більше — у меншій дірі припливні сили поблизу межі завдають смертельної шкоди задовго до досягнення самого горизонту.
Точка неповернення, розтягнута до межі
Ця шкода має назву: спагетифікація. Поблизу чорної діри різниця в гравітаційному тяжінні між ближнім і дальнім боками об'єкта стає настільки екстремальною, що ніщо не може протистояти розтягуванню вздовж напрямку падіння. Мала чорна діра робить це далеко за межами свого горизонту, тому саме маломасивна чорна діра смертельна задовго до того, як астронавт наблизиться до самої межі.
Однак якщо збільшити чорну діру, геометрія ситуації змінюється. Для надмасивної чорної діри точка, де почалася б спагетифікація, лежить уже всередині самого горизонту подій, тож астронавт міг би перетнути межу, взагалі не помітивши жодного розтягування — хоча наступне падіння до центру все одно залишається неминучим. Іншими словами, можна перетнути точку неповернення й певний час почуватися абсолютно нормально.
Фотографуючи силует, якого ніхто не може побачити
Горизонт подій не випромінює власного світла, тож жоден телескоп не може сфотографувати його безпосередньо — астрономи можуть вловити лише його силует на тлі розжареного, надгарячого газу, що вирує одразу за його межею. Саме цей силует і намагався вловити Event Horizon Telescope — глобальна мережа радіотелескопів, що працює як єдиний інструмент. Перше в історії зображення чорної діри, у центрі галактики Мессьє 87, опублікувала колаборація Event Horizon Telescope 10 квітня 2019 року, одразу в шести наукових публікаціях.
Цифри за цим зображенням вражають самі по собі. Телескоп визначив масу цієї чорної діри у 6,5±0,7 мільярда сонячних мас, а діаметр її горизонту подій — приблизно у 40 мільярдів кілометрів (270 а.о.), що приблизно у 2,5 раза менше за світну тінь, яку насправді показує зображення, — тінь виглядає збільшеною через те, як світло викривляється навколо горизонту, перш ніж дістатися Землі. 12 травня 2022 року та сама колаборація представила другий портрет: надмасивну чорну діру в центрі нашого власного Чумацького Шляху, Стрілець A*.
Обидва зображення залежали від безпрецедентної роздільної здатності. З 2018 року Event Horizon Telescope веде спостереження на довжині хвилі 870 мікрометрів (345 ГГц), досягаючи кутової роздільної здатності 19 мікросекунд дуги — найвищої серед усіх наземних телескопів, приблизно достатньої, щоб прочитати заголовок газети на поверхні Місяця, перебуваючи на Землі.
Слабке світіння на самій межі
Навіть найабсолютніша межа у фізиці, виявляється, має лазівку — принаймні теоретично. Випромінювання Гокінга виникає одразу за межами горизонту подій чорної діри, згідно з моделлю квантових ефектів, розробленою Стівеном Гокінгом у 1974 році. Сам горизонт, як і раніше, нічого не випускає назад — випромінювання є окремим квантовим процесом, що відбувається саме на його порозі, а не світлом, яке вирвалося з-за межі.
Це нагадування про те, що горизонт подій, попри всю свою остаточність, не є останнім словом у тому, що робить чорна діра. Це просто лінія, за якою Всесвіт перестає повідомляти вам новини.