Страница 55 из 66
Двойная система с черной дырой. Перетекание вещества от сверхгиганта к черной дыре.
В окрестностях черной дыры луч света может изгибаться и падать обратно на звезду.
Здесь мы сталкиваемся с процессами гибели и рождения звезд. Гибнет гигант и во время своей гибели, проходя этап катастрофического взрыва, порождает, оставляет вместо себя чудовищного карлика — нейтронную звезду с совершенно экзотическими свойствами.
Звезда эта устойчива: силы гравитации огромны, но давление вырожденной нейтронной жидкости еще может уравновесить эти силы. Однако, если масса ядра звезды более трех масс Солнца, силы тяготения выигрывают схватку. Ничто уже не в состоянии противостоять им, гравитационный коллапс здесь неизбежен, и на любой стадии этого коллапса равновесной конфигурации не существует. А это значит, что силы гравитации будут сжимать вещество звезды в состояние с бесконечной плотностью, в точку. Говоря другими словами, некоторые массивные звезды должны в конце своей жизни превратиться в черные дыры.
И нейтронные звезды и черные дыры являются релятивистскими объектами — объектами, в окрестности которых особенно выпукло проявляются следствия из общей теории относительности Эйнштейна.
Рассмотрим некоторые из них. К примеру, как внешний наблюдатель опишет гравитационный коллапс звезды с образованием черной дыры?
Естественно, легче всего наблюдать за изменением светимости звезды. Ясно, что во время коллапса до перехода через шварцшильдовский радиус звезда наблюдаема, и ясно, что число фотонов, которое она испускает, в худшем случае постоянно (или увеличивается). Тем не менее такая звезда погаснет «на глазах у изумленной публики» за доли секунды. «Последний вздох» коллапсирующей звезды очень короток.
Казалось бы, это утверждение противоречит тому, что для далекого неподвижного наблюдателя время достижения звездой гравитационного радиуса бесконечно велико. Ну а если это время бесконечно, то и звезда должна была бы светить бесконечно долго. Но это не так. Яркий пример относительности хода времени для внешнего наблюдателя и наблюдателя, «коллапсирующего» вместе со звездой, — это ход времени при наличии сильного гравитационного поля.
Свет от коллапсирующей звезды будет катастрофически краснеть при стремлении звезды к горизонту событий. Это вызвано как эффектом Доплера, поскольку поверхность коллапсирующей звезды непрерывно удаляется от нас, так и гравитационным покраснением квантов света. Что такое обычный эффект Доплера, мы с вами знаем. Но что такое гравитационное покраснение, или, точнее, гравитационное красное смещение?
Вспомним, что свет сам по себе — следствие различных колебаний в атомах и молекулах, переходов электронов с одного энергетического уровня в атоме на другой. Процессы эти, практически мгновенные в земной практике из-за сверхсильных гравитационных полей, могут показаться внешнему наблюдателю очень медленными. Ведь чем больше промежуток времени между двумя колебаниями, тем больше длина волны и тем меньше частота. Значит, действительно по мере приближения поверхности коллапсирующей звезды к гравитационному радиусу внешней наблюдатель будет видеть звезду, непрерывно изменяющую свой спектр (в сторону все более длинных волн).
Но, кроме того, и интенсивность света также будет падать, так как по часам внешнего наблюдателя промежутки времени между испусканием квантов света также будут увеличиваться, а следовательно, будет уменьшаться интенсивность светового потока. Проделанные оценки показывают, что коллапсирующая звезда с массой в два раза больше массы Солнца практически погаснет для внешнего наблюдателя за 2 · 10–5 секунды. Конечно, до достижения гравитационного радиуса фотоны будут еще выходить из звезды. Но нам от этого не легче. Что толку, если от этой звезды придет, грубо говоря, один квант света в год?
Говоря об эффектах ОТО в сильных гравитационных полях, нельзя не рассказать более подробно, как ведут себя световые лучи в окрестностях черной дыры.
В 1918 году астрономы попытались провести первые эксперименты по проверке общей теории относительности. В этом году произошло полное солнечное затмение, и во время наблюдений за ним удалось заметить отклонение лучей света в поле тяготения Солнца. Эксперимент подтвердил гениальное предсказание Эйнштейна. И хотя в окрестностях Солнца эффект искривления светового луча невелик, он достаточен для прямых наблюдений.
Поле тяготения черной дыры неизмеримо сильнее поля тяготения Солнца, и эффекты ОТО должны проявляться там гораздо заметнее. И действительно, расчеты показали, что свет, проходящий поблизости от черной дыры, будет гравитационно захвачен ею. На расстоянии, равном примерно полутора шварцшильдовским радиусам, существует воображаемая окружность, на которую световой луч будет «навиваться». Если луч проходит от дыры на более близком расстоянии, он будет поглощен ею.
Мы видим, что возможно столь сильное искривление луча света, что фотоны могут двигаться по замкнутой окружности. Отметим, что движение это неустойчиво. При малейшем возмущении квант света улетит с этой орбиты либо в гравитационную могилу, либо снова в космическое пространство.
Ряд дополнительных интересных эффектов возникнет в случае с вращающейся черной дырой. Дело в том, что Шварцшильд получил свое решение для неподвижной черной дыры, а в природе, по всей видимости, этот случай не должен иметь места вообще. Ведь нейтронные звезды вращаются очень быстро, а поскольку и нейтронные звезды, и черные дыры — продукт эволюции массивных звезд, черные дыры также должны иметь собственное вращение.
Вообще говоря, скорость вращения и масса полностью определяют свойства черной дыры. Есть еще, правда, электрический заряд, но все-таки большинство объектов во Вселенной можно считать электрически нейтральными, и поэтому главные параметры черных дыр — масса и вращение. Никакое другое свойство вещества, участвующего в образовании черной дыры, не передается ей «в наследство».
Если, к примеру, нам надо рассказать о Земле, мы должны знать ее форму, размеры, плотность, движение, параметры ее недр, поверхности, атмосферы. Черная дыра в этом смысле намного проще. Зная лишь ее массу и вращение, мы можем описать достаточно строго почти все ее свойства и характеристики. Я специально использовал здесь слово «почти», поскольку проблема сингулярности продолжает и, видимо, еще долгие годы будет продолжать как дамоклов меч висеть над всей современной физикой.
Итак, если черная дыра вращается, мы сталкиваемся с целым рядом новых ситуаций. Основное свойство вращающейся дыры состоит в том, что вокруг нее образуется область пространства-времени с весьма необычными свойствами, называемая эргосферой. Эта область ограничена воображаемой поверхностью, которая называется пределом стационарности. Между горизонтом событий и пределом станционарности ничто не может оставаться в покое, там само пространство-время как бы закручивается вокруг оси вращения черной дыры.
Лучи света, попавшие в эргосферу, даже если они шли по направлению к центру дыры, также будут крутиться там, хотя, впрочем, они могут и покинуть эту область. Космический корабль, залетевший в эргосферу, тоже может покинуть ее, но ничто не может внутри эргосферы быть неподвижным.
Экватор предела стационарности вращающейся черной дыры имеет одинаковый диаметр с горизонтом событий невращающейся черной дыры той же массы. Процесс вращения дыры приводит к одной удивительной возможности, на которую впервые обратил внимание английский физик-теоретик Р. Пенроуз в 1969 году. Он доказал, что из эргосферы черной дыры можно черпать энергию.
Если какое-то тело попадает в эргосферу и разделяется там на две части таким образом, что одна из них будет двигаться к горизонту событий, а другая в противоположную сторону, то эта вторая часть будет подхвачена гравитационным вихрем эргосферы и выброшена с огромной скоростью из нее. Заметим, что энергия осколка будет превышать первоначальную энергию исходного тела.