Странные свойства черных дыр

В нашем мире, как описывает его общая теория относительно­сти, есть много странного; одно из самых удивительных — черная дыра. Если тело сжимается все сильнее и сильнее, то гравитация на его поверхности усиливается. Давайте для примера рассмотрим Землю.

Ее средний диаметр 12 742 км. Скорость убегания с поверх­ности Земли, необходимая космическому кораблю для путешествия, например, к Луне, составляет около п км/с. Если бы какой-нибудь гигант смог сжать Землю до размера теннисного мяча, то скорость убегания возросла бы до 70 ооо км/с.

Если гигант продолжит сжатие Земли, то скорость убегания бу­дет увеличиваться все больше и больше и в какой-то момент станет равной скорости света (300 ооо км/с). В этот момент диаметр Земли будет меньше 2 см. При этом гигант очень удивится: свет уже не смо­жет убегать от Земли, и она станет невидимой. Дальше Земля будет сжиматься уже сама, пока не окажется сдавленной в точку. Некото­рые оценки говорят, что плотность в этой точке достигнет ю9А г/см3; это число выходит за рамки воображения. Но в этой истории при­пасен еще один сюрприз: Земля стала невидимым шаром, черной дырой, которая начала срывать вещество с близких к ней пальцев гиганта. В этот момент ему, возможно, захочется освободиться от чудовища, которое он сотворил.

Многие детали описанной выше картины можно вывести из теории Ньютона. Джон Мичелл (17241793)» пастор церкви Св. Ми­хаила и Всех Ангелов в Торнхилле, близ Дьюсбери в Англии, еще в 1784 году говорил о возможности существования черных дыр. Та­кой объект увидеть невозможно, но если черная дыра является чле­ном двойной системы, ее можно отождествить по движению звезды спутника. Вильям Гершель интересовался черными дырами Мичелла. Он даже думал, что обнаружил одну из них, но оказалось, что он ошибся. Лаплас в своей работе «Изложение системы мира» в 1796 году высказал такую же идею об объектах с мощным притяжением, которые являются ловушками для света.

Первым, кто применил общую теорию относительности к про­блеме черных дыр, был Карл Шварцшильд (18731916). Накануне Первой мировой войны он возглавлял Потсдамскую обсерваторию и был ведущим астрономом Германии. Но его призвали в армию; сначала он воевал на Бельгийском, а затем на Русском фронте. Именно там в 1916 году он написал две работы по исследованию новой теории Эйнштейна, где дал определение так называемого радиуса Шварцшильда. Эта величина пропорциональна массе тела и указывает минимальный радиус тела, сжавшись до которого, оно становится черной дырой. Для Солнца этот критический радиус со­ставляет около з км, а для звезды, в десять раз более массивной, он равен 30 км. Позднее в том же году Шварцшильд заболел и умер на фронте.

Некоторые особенности черных дыр можно понять, только ис­пользуя общую теорию относительности. Пространство там так сильно искривлено, что пространствовремя замыкается вокруг черной дыры. В некотором смысле оно становится собственной все­ленной, связанной с внешним миром только гравитацией. Черная дыра затягивает в себя окружающее вещество. В результате ее масса возрастает, а ширина «глотки» черной дыры измеряется радиусом Шварцшильда. Так что заглатывание окружающего вещества толь­ко усиливает аппетит черной дыры!

Чтобы понять особенности черной дыры, мы можем вернуться назад к растянутому куску резины (см. рис 15.6). Предположим, что лежащий на нем тяжелый шар постепенно уменьшается в раз­мере. Поскольку давление на единицу поверхности увеличивается, вмятина под шаром становится все глубже и глубже. В конце кон­цов резиновая поверхность изогнется вокруг шара, и он окажется на дне узкого горлышка. Поверхность резины вдали от шара уже почти не чувствует его влияния, но локальное искривление поверх­ности сильно увеличилось в процессе сжатия шара. Часть поверхно­сти с максимальным искривлением имитирует пространство вокруг черной дыры.

Условия внутри радиуса Шварцшильда черной дыры весьма эк­зотические. Роли координат пространства и времени там меняются. Например, в обычном мире время течет только в будущее, но в чер­ной дыре оно может течь как вперед, так и назад. Зато в простран­стве под радиусом Шварцшильда мы можем передвигаться лишь в одном направлении — только к центру черной дыры. Нашему моз­гу не под силу представить такой мир, хотя математически постро­ить его мы в состоянии.

Из-за сильного искривления пространства вблизи черной дыры время замедляется. Если бы мы смогли проследить за падающими на черную дыру часами, например — в телескоп, и если бы, падая, часы продолжали тикать, то мы увидели бы, что, приближаясь к черной дыре, они идут все медленнее. Наконец мы увидели бы, что на рас­стоянии радиуса Шварцшильда часы вообще остановились. Таким образом, удаленному наблюдателю время кажется застывшим на границе черной дыры. Но наблюдатель, падающий в черную дыру вместе с часами, не заметит в течении времени ничего особенного.

Это еще один пример отсутствия жесткого абсолютного времени; каждый наблюдатель видит течение времени по своему.

Вблизи черной дыры странно ведут себя и лучи света. Они мо­гут сильно изгибаться и даже наматываться вокруг черной дыры. Некоторые лучи навсегда исчезают в черной дыре. Нам трудно по­нять, что мы видим вблизи черной дыры, так как «обработка дан­ных» нашего зрения предполагает, что лучи света должны распро­страняться прямолинейно. Порою даже небольшое отклонение от прямой линии, как это бывает при наблюдении миража, сбивает нас с толку.

Черные дыры имеют еще одну особенность, которую мы пока не упоминали. Они могут вращаться, причем даже очень быстро. Ис­кривление пространства вокруг вращающейся черной дыры впер­вые вычислил математик из Новой Зеландии Рой Керр в 1963 году.

Вращение черной дыры проявляется как вращение близлежа­щего пространства: черная дыра тащит за собой пространство, как водоворот. В плоскости вращения скорость водоворота может быть очень высокой и достигать скорости света на радиусе Шварцшильда. Следовательно, неподвижное в этом пространстве тело будет выгля­деть издалека как вращающееся вокруг черной дыры со скоростью света. Вдали от радиуса Шварцшильда черной дыры или вблизи обычного вращающегося объекта движение обращающегося по ор­бите тела будет испытывать сравнительно небольшое возмущение. Но вблизи черной дыры завихрение очень велико. Даже движение в обратную сторону со скоростью света не может спасти тело от втя­гивания его в круговое движение в направлении вращения черной дыры.

Для каждой черной дыры существует максимальная скорость, с которой она может вращаться. Критическая поверхность для чер­ной дыры, вращающейся с максимальной скоростью, лежит на по­ловине радиуса Шварцшильда от ее центра. Вне критической по­верхности лежит область, называемая эргосферой, где скорость пространственного вихря превышает скорость света. При благо­приятных обстоятельствах частицы могут поглощать немного вра­щательной энергии черной дыры в этой области и вылетать из нее, унося энергию с собой.

Обращение одного тела вокруг другого тела в пространстве лег­ко можно понять. Но как понять, что само пространство вращается вокруг центрального тела? Это выходит за рамки здравого смысла.

Обычно мы думаем о пространстве как о жестком фоне, относитель­но которого мы измеряем движение. Но из общей теории относи­тельности следует, что реальное пространство эластично, и это его свойство имеет наблюдательные проявления.

Увлечение пространства вокруг вращающихся тел долго остава­лось лишь гипотезой, высказанной австрийскими физиками Джо­зефом Лензе и Гансом Тиррингом в 1918 году. До 2004 года не было возможности измерить этот эффект в пространстве, окружающем вращающуюся Землю. Изучая движение двух искусственных спут­ников Земли — 1АСЕ08 I и II, группа под руководством Игнацио Куифолини из университета Лечче (Италия) и Эррикос Павлис (Мэрилендский университет) обнаружила, что плоскости орбит спут­ников поворачиваются примерно на два метра в год в направлении вращения Земли. Этот результат согласуется с прогнозом Лензе и Тирринга с точностью ю%. Недавно запущенный спутник «Сгауйу РгоЬе В», специально сконструированный в Стэнфордском уни­верситете и НАСА для измерения вращения пространства, сейчас пытается подтвердить этот результат.