Текст книги "Черные дыры и Вселенная"

Автор книги: Игорь Новиков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 15 страниц)

Черные дыры и свет

Мы уже знаем, что поле тяготения влияет на свет. Оно заставляет фотоны менять свою частоту и искривляет траекторию лучей. Чем ближе к черной дыре, тем сильнее искривление траектории. На рисунке 4 приведены пути лучей света, исходящих с разных расстояний от черной дыры (перпендикулярно к ее радиусу). Мы видим, что существует критическая окружность с радиусом в полтора гравитационных радиуса. (О ней мы уже упоминали в предыдущем разделе.) По этой окружности фотон, удерживаемый на окружности мощным тяготением черной дыры, вполне может двигаться. Однако это движение неустойчиво. Малейшее возмущение – и он либо упадет на черную дыру, либо улетит в космос.

Наличие критической окружности для фотонов ведет к тому, что свет, проходящий достаточно близко к черной дыре, будет ею гравитационно захвачен (это изображено на рисунке 5). Луч, подходящий вплотную к окружности размером в полтора гравитационных радиуса, неограниченно навивается на нее, а подходящий еще ближе упирается в черную дыру.

При движении около черной дыры меняется и частота колебаний световых волн. Чем ближе фотоны к черной дыре, тем сильнее возрастает частота колебаний. При удалении от черной дыры частота колебаний световых волн уменьшается. На значительном расстоянии от черной дыры эти изменения невелики и значительны только вблизи сферы Шварцшильда.

«Черные дыры не имеют волос»

До сих пор мы говорили только о черных дырах, возникающих при сжатии сферических тел и обладающих поэтому сферически симметричным полем тяготения. А какая черная дыра возникает при сжатии не сферического, например сплюснутого, тела? Мы пока будем говорить, только о невращающихся телах, оставив вопрос о вращении до следующего раздела.

Итак, до сжатия тело имело не сферическое гравитационное поле. Означает ли это, что возникнет сплюснутая черная дыра со сплюснутым полем тяготения? Долгое время ответ на этот вопрос был неизвестен, и эту задачу решили лишь сравнительно недавно. На самом деле никаких сплюснутых или других несимметричных черных дыр существовать не может. Дело в том, что в ходе сжатия, когда размеры тела приближаются к гравитационному радиусу, происходит интенсивное излучение гравитационных волн. Оказывается, что при этом все отличия поля тяготения от строгой сферичности уменьшаются и «излучаются» в виде гравитационных волн.

В первый момент после возникновения черная дыра имеет действительно искаженную, сплюснутую форму. Но эта дыра не может сохраняться постоянно во времени. Подобно тому, как пленка мыльного пузыря, если бы мы его растянули, а потом отпустили, быстро принимает сферическую форму, точно так же граница «искаженной» черной дыры быстро принимает гладкую сферическую форму. Все «лишнее» излучается в виде гравитационных волн. В результате возникает совершенно сферически симметричная черная дыра с совершенно сферически симметричным внешним полем тяготения Шварцшильда, которое характеризуется только одной величиной – массой тяготеющего центра.

Таким образом, черные дыры могут быть и большие (массивные) и маленькие, но во всем остальном они совершенно подобны друг другу. Возникает тогда вопрос, а что будет, если сжимающееся тело обладало электрическим зарядом, то есть имело вокруг себя, помимо гравитационного, еще электрическое, или магнитное или, наконец, какое-либо еще поле? Будет ли возникшая из этого тела черная дыра также обладать этими полями?

Исследование вопроса привело к крайне интересному выводу. Оказалось, что все виды физических полей в ходе релятивистского коллапса будут излучены или погребены в самой черной дыре. Исключение составляет только поле электрического заряда. При сжатии оно, так же как и сферическое гравитационное поле, вовсе не меняется и остается вокруг возникшей черной дыры.

Итак, при релятивистском коллапсе сколь угодно сложного невращающегося тела, окруженного электрическим магнитным и другими полями, возникает черная дыра со свойствами, полностью характеризуемыми всего двумя параметрами – массой, от которой зависит сила внешнего гравитационного поля, и электрическим зарядом, характеризующим электрическое поле. Все другие отличительные особенности материи, которая образовала черную дыру, как бы исчезают. Никакие измерения или опыты над черной дырой не помогут ответить на вопрос, возникла ли она, например, из вещества или антивещества, обладало ли вещество магнитным полем и т. д. И это свойство «забывания» всех признаков определяется опять же тем, что никакие сигналы из черной дыры во внешнее пространство не выходят.

Если мы оставим в стороне явление электрического заряда, которое несущественно для небесных тел, то в качестве характеристики, определяющей свойства черной дыры, остается только ее масса. Все черные дыры одинаковой массы являются точными копиями друг друга. Такая безликость черных дыр послужила поводом уже знакомому нам американскому физику-теоретику Д. Уилеру сказать, что «черные дыры не имеют волос».

Установление факта безликости было трудной задачей. Здесь тоже была и своя предыстория и история, как и при теоретическом предсказании черных дыр.

Упомянем лишь о двух работах, выполненных в середине 60-х годов. При создании первой я был лишь свидетелем, а во второй принимал участие сам. Первая работа была сделана советским физиком академиком В. Гинзбургом. Он рассматривал вопрос о том, каково будет магнитное поле звезды, если ее сжимать до все меньших размеров. Оказалось, что если звезду сжать почти до гравитационного радиуса и на этом остановиться, то вблизи самой поверхности звезды магнитное поле необычно возрастет. При дальнейшем сжатии точно к гравитационному радиусу напряженность магнитного поля у поверхности стремилась бы к бесконечности! Но это абсурд! Я помню, с каким подъемом и волнением рассказывал В. Гинзбург об этом в Астрономическом институте имени П. К. Штернберга, а потом с каким энтузиазмом специалисты обсуждали эти выводы. Значение работы было огромно. Ведь если предположение о наличии магнитного поля у черной дыры ведет к абсурду (а так получилось!), значит, никакого магнитного поля у черной дыры не может быть вовсе! Все магнитное поле должно быть излучено или погребено внутри дыры!

Это был очень неожиданный вывод, с которым специалисты не сразу освоились.

Вторая работа касалась возможности возникновения сплюснутой черной дыры. Я тогда только что окончил учебу и работал в группе, созданной академиком Я. Зельдовичем. Поскольку на протяжении уже нескольких лет меня волновала проблема сплюснутой черной дыры, я рассказал о ней моему руководителю, а заодно и моему сверстнику, тоже начинавшему работать во вновь созданной группе, А. Дорошкевичу. Все трое мы всесторонне начали исследовать проблему. Стиль работы у нас был разный, и, удачно дополняя друг друга, мы выполнили большой объем работ.

Вскоре обнаружилось, что, если бы возникла сплюснутая, как репа, или, наоборот, вытянутая, как огурец, черная дыра, то сплюснутость или вытянутость ее должны были бы быть бесконечными! Это означает, например, что в случае сплюснутости длина экватора черной дыры была бы бесконечной. Но это, конечно, абсурд! Отсюда мы сделали вывод, что никаких сплюснутых или вытянутых дыр быть не может. Все отклонения от сферичности должны, излучаясь в виде гравитационных волн, исчезать!

Обе упомянутые работы отличает одна общая черта: мы пришли к выводу, что поля должны излучаться в ходе возникновения черной дыры. Такой вывод покажется чрезмерно смелым. Ведь сам процесс излучения мы не рассчитывали, мы этого тогда еще просто не могли делать, так как не был создан соответствующий математический аппарат. Но вывод о результате процесса излучения был абсолютно надежен потому, что иной вел бы к абсурду. Это интересный пример того, как можно делать надежные заключения о последствиях явления, рассчитать которое не было возможности. Только шесть лет спустя американский теоретик Р. Прайс, а затем и многие другие провели расчеты самого процесса излучения полей. Они, естественно, полностью подтвердили правильность наших заключений.

Следствием расчетов Р. Прайса и других авторов было установление любопытного факта: все поля, которые в принципе могут быть излучены, излучаются действительно в ходе возникновения черной дыры. Только два вида их никогда не излучаются – это сферическое поле тяготения и сферическое поле электрического заряда (если таковой есть). Именно они остаются у возникшей черной дыры. Еще об одном исключении сказано в следующем разделе.

Среди физиков известны «законы Чизхолма». Они в шуточной, форме отражают далеко не шуточные трудности, возникающие при проведении физических экспериментов и при работе со сложными физическими приборами. Первый из «законов Чизхолма» читается так: «Все, что может испортиться, – портится». По аналогии с этим, Р. Прайс сформулировал свой вывод так: «Все, что может излучиться, – излучается».

В начале этого раздела мы специально оговаривали, что рассматриваем черные дыры, возникающие только из невращающихся тел. Эта оговорка не случайна. Дело в том, что вращающееся тело при коллапсе приводит к вращающейся черной дыре. Как мы увидим в следующем разделе, вращение приводит к определенным изменениям в поле тяготения и поэтому служит третьим (и последним) параметром (помимо массы и электрического заряда), который характеризует черную дыру.

Гравитационный вихрь вокруг черной дыры

По теории Ньютона, гравитационное поле никак не зависит от движения вещества. Так, поля тяготения неподвижного шара и вращающегося совершенно одинаковы, если только одинаковы их массы. По теории Эйнштейна, это не так: поля тяготения рассматриваемых шаров будут несколько отличаться. В чем же оно заключается?

Наиболее наглядно (но несколько упрощенно) можно себе представить это отличие, как если бы вокруг вращающегося тела возникало добавочное вихревое гравитационное поле, увлекающее за собой все тела в круговое движение. Дело происходит таким образом, как будто слои пространства медленно вращаются вокруг такого тела, причем угловая скорость их вращения зависит от расстояния: она мала вдали и нарастает с приближением к вращающемуся телу. Для обычных небесных тел эти эффекты ничтожно малы. Проще всего их обнаружить, помещая вблизи вращающегося тела гироскоп. Если тело не вращается, то гироскоп будет указывать неизменное направление в пространстве по отношению к далеким звездам. (Широко известно использование гироскопов, например, для ориентации космических кораблей.) Однако вблизи вращающегося тела гироскоп медленно поворачивается.

Так, вблизи поверхности вращающейся Земли гироскоп поворачивается примерно на десятую долю угловой секунды в год. Конечно, такая ничтожная скорость поворота гироскопа не может помешать ориентации космических кораблей. Более того, экспериментально этот эффект пока и не обнаружен.

У поверхности нейтронных звезд, о которых мы уже говорили в главе 1, угловая скорость вращения гироскопа может быть весьма большой, всего лишь в несколько раз меньше скорости вращения самой нейтронной звезды. А сами нейтронные звезды могут вращаться со скоростью в несколько десятков и более оборотов в секунду. Таким образом, гироскоп вблизи такой быстро вращающейся звезды может совершать много оборотов в секунду! Что будет происходить с этой вихревой компонентой поля тяготения при релятивистском коллапсе звезды?

Оказывается, она не будет изменяться так же, как не меняется и сферическое поле тяготения.

Вихревое поле тяготения звезды полностью определяется величиной, которую физики называют моментом импульса тела. Для обычной звезды эта величина примерно равна произведению скорости вращения на экваторе, массы звезды и ее радиуса.

Таким образом, при коллапсе вращающегося тела возникает вращающаяся черная дыра. Что означает вращение черной дыры? Оно означает наличие вокруг черной дыры вихревого поля тяготения, оставшегося после коллапса, или, как его иногда называют, гравитационного вихря. Чем ближе к черной дыре, тем сильнее вихревое поле.

К чему это приводит?

Прежде всего вращение несколько сплющивает черную дыру у полюсов, подобно тому как вращение сплющивает Землю и звезды. Напомним, что без вращения форма дыры была бы точно сферической. Но не это главное. Без вращения гравитационная сила обращалась в бесконечность на сфере Шварцшильда. Эта сфера и была границей черной дыры, или, как говорят физики, горизонтом, из-под которого ничто вылетать не может. При наличии вращения это не так. Тяготение обращается в бесконечность вне горизонта, на поверхности, получившей название границы эргосферы. Положение этой границы показано на рисунке 6. Она отстоит тем дальше от границы черной дыры, чем быстрее вращение, но далеко от нее отойти не может.

На границе эргосферы и под ней уже никакая сила не может удержать проникшее туда постороннее тело в покое. Оно будет увлекаться вихревым полем в движение относительно черной дыры. Однако в отличие от тел, находящихся под сферой Шварцшильда (в отсутствие вращения), где они неудержимо падали к центру, здесь, под границей эргосферы, все тела вовлекаются во вращательное движение вокруг, черной дыры. При этом они вовсе не обязательно двигаются к центру: могут и приближаться к черной дыре, и удаляться от нее, могут пересекать границу эргосферы, двигаясь и внутрь и наружу.Спрашивается, как же гравитационная сила действует на них под границей эргосферы, если уже на границе величина ее равна бесконечности?

Здесь мы должны напомнить то, что уже говорили при обсуждении силы тяготения, действующей на поверхности Шварцшильда.

Сила тяготения бесконечна на границе только для неподвижного тела, а если тело движется ускоренно, то сила будет иная. При круговом движении вокруг черной дыры в том же направлении, что и направление вращения черной дыры, сила и на границе эргосферы, и внутри ее оказывается конечной. Поэтому тело может внутри границы эргосферы двигаться по окружности, не падая на центр. Таким образом, при наличии вращения предел статичности (то есть граница области, где возможен покой тела по отношению к черной дыре) резко отличается от сферы Шварцшильда в случае отсутствия вращения.

Мы видим, что граница эргосферы вовсе не является границей черной дыры, раз из-под этой поверхности можно выйти наружу. Посмотрим, что же будет при дальнейшем приближении к черной дыре.

Продвигаясь вглубь, мы достигаем наконец границы черной дыры – горизонта. На этой поверхности и под ней тело (и любые частицы, и свет) движется только внутрь черной дыры. Здесь движение наружу невозможно, и никакая информация не может выйти к внешнему наблюдателю из-под этого горизонта.

Именно пространство между горизонтом и пределом статичности и называют эргосферой. Там сила тяготения заставляет все тела кружить вокруг черной дыры.

Если медленно приближать гироскоп к поверхности эргосферы, его угловая скорость вращения будет все увеличиваться, стремясь на самой поверхности к бесконечности (для неподвижного гироскопа).

Как же для внешнего наблюдателя будут протекать события при падении какого-либо тела с большого расстояния к вращающейся черной дыре?

Падая на черную дыру, тело сначала отклонится в своем движении в сторону ее вращения, пересечет границу эргосферы и постепенно приблизится к горизонту. На горизонте все тела имеют одну и ту же угловую скорость обращения, в какое бы место поверхности горизонта ни попало падающее тело. Это очень важное свойство вращающейся черной дыры. В самой эргосфере угловая скорость движения тел может быть разной, но, попадая на поверхность черной дыры, они имеют уже одинаковую угловую скорость, вращаются вместе с поверхностью черной дыры, как бы прилепленные к поверхности вращающегося твердого тела.

Для внешнего наблюдателя получаемый от них свет быстро становится все более красным, и менее интенсивным, затем полностью затухнет, и они станут невидимыми для; внешнего наблюдателя: что происходит под горизонтом, он не видит: Если же сам наблюдатель, будет свободно падать во вращающуюся черную дыру, то он за конечное время достигнет горизонта, как в случае невращающейся дыры, и будет продолжать падать внутрь. Оставим пока этого наблюдателя и вернемся во внешнее пространство – в окрестность черной дыры.

Вращение черной дыры не может быть сколь, угодно большим. Дело в том, что она не сможет возникнуть, если тело вращалось слишком быстро. Действительно, при сжатии тела, достаточно быстро вращающегося, на экваторе возникают центробежные силы, которые препятствуют его сжатию в плоскости экватора. Тело может продолжать сжиматься только вдоль полюсов. Но тогда оно превратится в «блин» радиусом, много большим гравитационного радиуса, и, следовательно, никакой черной дыры не возникнет. Максимально возможным вращение черной дыры станет тогда, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.

У вращающейся черной дыры меняются и законы небесной механики. Так, вспомним явление гравитационного захвата тел черной дырой. Если дыра вращается, то легче всего ею будут захватываться частицы, которые вблизи черной дыры летят в сторону, противоположную вращению, и с гораздо большим трудом – частицы, летящие мимо черной дыры в сторону вращения. Наглядно можно себе представить это так, как если бы вихревая компонента гравитационного поля вокруг черной дыры действовала бы подобно праще – ускоряя и отбрасывая тем самым частицы, движущиеся мимо черной дыры в ту же сторону, что и закручивающийся вихрь этого поля, и, наоборот, тормозя и захватывая частицы, движущиеся против вихря.

Еще один пример изменения законов небесной механики. В случае обращения тела по круговой орбите вокруг максимально быстро вращающейся черной дыры в виде гравитационных волн может излучиться в семь раз больше энергии, чем при движении вокруг невращающейся черной дыры.

Глава III.
Энергия из гравитационной бездны

Бездонные черные дыры

Мы уже неоднократно говорили, что излучение гравитационных волн телом, кружащимся около черной дыры, является способом получения энергии. Но это не есть способ извлечения энергии из самой черной дыры, а только энергии, связанной с кружащимся телом. Ведь в конце концов само тело (и часть гравитационных волн) падает в черную дыру, не извлекая, а увеличивая ее массу, а значит, и энергию.

Возникает вопрос: а нельзя ли придумать какой-нибудь процесс, уменьшающий массу черной дыры и тем самым черпающий ее энергию?

На первый взгляд этого сделать нельзя, ибо из черной дыры ничто не выходит, значит, из-под горизонта нельзя навлечь энергию. Это верно. Но мы упустили в этом рассуждении, что часть энергии (а значит, и массы) вращающейся черной дыры, связанная именно с вращением, находится, образно говоря, вне черной дыры и заключена в вихревой компоненте ее поля. Вот эту «вращательную» часть энергии и можно, оказывается, отнять от черной дыры, уменьшив ее массу. Как это сделать?

Представим себе следующий эксперимент. В эргосферу большой вращающейся черной дыры попадает ракета с выключенными двигателями. Она движется вокруг черной дыры в сторону ее вращения. Вблизи черной дыры пилот включает реактивные двигатели, выбрасывающие струи газов. Можно так изменить движение ракеты, что газы упадут в черную дыру, а ракета, ускорившись, с огромной скоростью вылетит из эргосферы, как бы выброшенная «пращой» гравитационного вихря. Огромная скорость ракеты будет намного превышать ту скорость, с которой ракета подлетала к эргосфере, и будет намного больше, чем изменение скорости, вызванное кратковременной работой двигателя. Что же произошло?

Вспомним, что вокруг черной дыры существует вращательный гравитационный вихрь. Ракетный двигатель заставил перейти ракету на такую новую орбиту, где она, подхваченная этим вихрем, была вышвырнута с огромной скоростью из эргосферы. Энергия, унесенная ракетой, получена от вихря, то есть от «вращательной» энергии черной дыры. Вращение черной дыры при этом уменьшается. Соответственно становится меньше и полная масса черной дыры (на величину, унесенную ракетой). Этим-то способом и можно «черпать» энергию из вращающейся черной дыры.

Столь необычный процесс был открыт английским физиком-теоретиком Р. Пенроузом. Но черпаемая при этом только «вращательная» энергия находится, как подчеркивалось, в вихревом поле вне черной дыры.

Что же касается площади горизонта, а она и характеризует размеры самой черной дыры, то описанный процесс приводит к некоторому ее увеличению, так как газы из двигателя ракеты, упавшие в черную дыру, вносят в нее дополнительную массу и увеличивают тем самым ее размеры.

Наибольшее количество «вращательной» энергии черной дыры ракета может унести (при одинаковой продолжительности работы ее двигателей) в том случае, когда двигатели включаются у самого горизонта. В этом случае площадь горизонта не меняется (такие процессы получили название обратимых). Подобные включения двигателя на горизонте можно повторять многократно, и таким образом можно отнять у черной дыры «вращательную» энергию, не меняя ее собственного размера.

Что же касается вопроса о возможности уменьшения размеров горизонта в каких-либо процессах, то на него надо ответить отрицательно. Оказалось, что площадь горизонта черной дыры никогда не уменьшается ни в каких процессах. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то сумма площадей их горизонтов не уменьшается.

Это очень важное свойство. Из него, например, следует, что ни при каких воздействиях черная дыра не может разделиться на две черные дыры. Если бы такое произошло, то при сохранении энергии сумма площадей горизонтов возникших дыр должна была бы быть меньше площади исходной черной дыры. Следовательно, как бы ни раздирали черную дыру приливные гравитационные силы, какими бы другими способами мы на нее ни воздействовали, «разодрать» ее на части нельзя.

Сливаться же черные дыры могут. Например, две движущиеся навстречу друг другу черные дыры сталкиваются «лоб в лоб» и сливаются в одну. При этом возникающая черная дыра будет иметь площадь горизонта больше суммы площадей горизонтов сталкивающихся дыр.

Итак, никакие процессы не уменьшают размеры черных дыр.

Черные дыры после своего возникновения являются как бы бездонными пропастями, которые нельзя никак уменьшить, нельзя ничем заполнить и нельзя ничем «заткнуть» – они являются вечными «дырами» в пространстве и времени, способными только увеличиваться за счет падающего в них вещества. Это все растущие гравитационные бездны...

На самом деле, как мы увидим в дальнейшем, все это не столь мрачно. Во-первых, черные дыры, находящиеся в реальных условиях, благодаря своему огромному полю тяготения способны вызвать весьма бурные процессы, а, во-вторых, квантовые процессы (которых мы до сих пор не касались) вносят коррективы в нарисованную здесь картину. Но об этом подробнее будет сказано дальше.