С.Л. Громова
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ЧЕРНЫХ ДЫРАХ
Одними из самых загадочных объектов во вселенной являются черные дыры. Черные дыры являются одновременно очень простыми и очень сложными в понимании. Черная дыра является порождением тяготения. Их тяжело изучать, т.к. они в данный момент времени недосягаемы для нас, но по расчетам математиков о них можно судить. Даже изучение этих объектов на расстоянии давалось с трудом (пока на орбиту не взошли рентгеновские обсерватории). Ведь свет не может покинуть горизонт событий черной дыры, поэтому об их существовании можно было судить только по мощному воздействию на окружающую материю. Поэтому в видимом спектре излучения такие объекты обнаружить нельзя. Это были сложности черных дыр. К простым чертам этих объектов можно отнести то, что они не имеют химического состава и описываются только математическими законами гравитации Эйнштейна. Удивительно, но такие экзотические объекты устроены даже проще чем звезды. Поверхности у черной дыры нет. Характеризуются эти объекты в первую очередь массой, во вторую – моментом количества движения, в третью – электрическим зарядом.
Термин “черная дыра” был введен в науку Джоном Уилером в 1968 году для обозначения сколлапсировавшейся звезды. Еще Пьер Симон Лаплас в свое время уже догадывался о возможности существования таких объектов. Он писал: “Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми”. Основываясь только на законе тяготения Ньютона, Лаплас приходит к открытию того, что тела с огромной массой и повышенной плотностью не позволят излучению покидать их поверхность. Это было предвидением черных дыр. Однако реальные характеристики черных дыр отличаются от лапласовских, так как они определяются теорией относительности Эйнштейна, уточняющей теорию Ньютона.
Черные дыры нельзя обнаружить при помощи непосредственных наблюдений. Но их можно обнаружить по мощному воздействию на окружающую материю и по рентгеновскому излучению, испускаемому веществом при аккреции. Не редко встречаются пары – массивная звезда и черная дыра по соседству. Первая пара была обнаружена в начале 70х годов. Здесь вращаются горячая голубая звезда, и, по всей вероятности, черная дыра, массой в 16 M๏. Другая пара(v404) имеет невидимую массу в 16 M๏. Еще одна подозреваемая пара – рентгеновский источник LMCX9 в 9 M๏, находится в Большом Магеллановом облаке. Все эти случаи хорошо объединяются в рассуждения Джона Мишела о “темных звездах”: “Если звезда вращается вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела”. Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства вокруг нейтронной звезды, правда очень слабое. Измерения параметров движения в центральной области нашей галактики вели с 1992 по 1998 год сотрудники института внеземной физики имени Макса Планка в Гаршинге (в Германии) под руководством А. Эскарта. Они определяли скорость перемещения звезд с помощью специального спектрометра. Оказалось, что с наибольшей скоростью движутся те звезды, которые расположены поблизости от объекта Стрелец А, который и раньше относили к семейству черных дыр. У звезд, удаленных от него всего лишь на 5 световых суток, скорость обращения вокруг центра превышает 1000 км/с. Вычисления показали, что подобное движение может наблюдаться лишь в том случае, если в центре галактики находится объект, масса которого составляет 2,6 млн. масс солнца, а плотность такая, как если бы 2 триллиона солнц “втиснуть” в один кубический световой год. Такими свойствами может обладать лишь черная дыра, существующая порядка миллиона лет. О сходных результатах сообщила на конференции Американского астрономического общества А.М.Гез. Вместе со своими коллегами она вела наблюдения в том же инфракрасном диапазоне частот (2мкм), что и Эскарт, но на более мощном 10-метровом телескопе имени Кека на горе Мауна-Кеа на Гавайских островах. Они установили, что звезды, расположенные к центру галактики вдвое ближе, чем наблюдавшиеся немецкими астрономами, движутся со скоростью 3000 км/с. По мнению Гез, такую скорость может вызвать только черная дыра с массой 2,7 миллионов солнечных. При таких огромных величинах выводы обеих групп можно считать почти идентичными.
Итак, в центре нашей галактики, по всей видимости, также находится черная дыра. Массивные черные дыры в нашей и соседних галактиках должны быть уменьшенными версиями тех сильно нестационарных явлений, что наблюдаются в активных галактических ядрах. Но последние слишком далеки, чтобы можно было проводить спектроскопическое исследование их динамики. Однако, оценки их светимости и теоретические ограничения на эффективность энерговыделения в сильных гравитационных полях показывают, что центральные темные массы там заключены в пределах 107-109 M. Переменность излучения на малых временах также свидетельствует о малых размахах излучающих областей; многие активные ядра сильнопеременны на временных шкалах порядка часа, что ограничивает область излучения масштабом светового часа. А такие большие массы в таких малых объемах не могут быть скоплениями звезд, потому аккрецирующие массивные черные дыры остаются единственным приемлемым объяснением. Несколько лет назад группа американских и японских астрономов направила свой телескоп на созвездие гончих псов, на находящуюся там спиральную туманность M106. Эта галактика удалена от нас на 20 млн. световых лет, но ее можно увидеть даже с любительского телескопа. Долгое время многие считали, что она такая же, как и другие галактики. При внимательном изучении оказалось, что у этой туманности есть одна особенность – в ее центральной части существует природный квантовый генератор – мазер. Это газовые облака, в которых молекулы газа излучают радиоволны. Мазер позволяет точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге и других небесных тел. Японский астроном Маното Мионис и его коллеги во время наблюдения туманности М106 обнаружили странное поведение ее мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтересовала скорость этого вращения – ближние слои (к черной дыре) облаков двигались со скоростью ~1110 км/с. Это говорит о том, что в центре сосредоточена огромная масса. По расчетам она оказалась равной 36 миллионам солнечных! Астрономы отбросили предположение, что такая масса вызвана скоплением звезд, достаточно тесно расположенных друг к другу, т.к. из-за своего движения они слиплись бы. Осталось наиболее верное предположение – такая масса вызвана наличием черной дыры.
Американским ученым удалось зафиксировать рентгеновское излучение от супермассивных черных дыр, которые до недавнего времени считались тихими. Эти дыры существуют в центрах самых старых и самых массивных галактик и имеют массу, сравнимую с массой миллиардов солнц, сжатую до размеров солнечной системы. В то время, когда наибольший процент черных дыр излучают рентгеновские потоки, большинство массивных черных дыр рентгеновским излучением не обладают. Последние наблюдения показали, что “тихие” супермассивные черные дыры присутствуют во всех галактиках, в том числе и в нашей, и могут стать ключом в вопросе понимания происхождения вселенной.
С помощью космического спектрографа Хаббла удалось запечатлеть “автограф” сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики М84. Несмотря на то, что гравитация не позволяет свету покинуть окрестность черной дыры, ее присутствие можно обнаружить по падающему по спирали с огромным ускорением на поверхность черной дыры межзвездному веществу, скорость которого (определенная по эффекту Доплера), составляет примерно 380 км/с на расстоянии 26 световых лет от центра М84.
Два астронома из университета Дарэма (Великобритания) д-ра Кристин Дон и Марек Гирлински представили для публикации в ежемесячном вестнике Королевского астрономического общества статью, в которой они обосновывают существование в космосе "настоящих" черных дыр, то есть объектов, не имеющих поверхности в обычном понимании этого слова. Дон и Гирлински провели исследования целого ряда известных горизонтов событий, чтобы определить разницу между объектами, которые считаются черными дырами и нейтронными звездами. Любая материя, захваченная мощным гравитационным полем любого из этих объектов, начинает двигаться по спирали к их центру, достигая при этом скорости, равной половине скорости света, и преобразуя часть гравитационной энергии в рентгеновское излучение. То есть тут все происходит одинаково. В случае "настоящей" черной дыры материя должна просто навсегда сгинуть в этой дыре, унеся туда оставшуюся у нее энергию, а в случае нейтронной звезды материя падает на ее поверхность, и при этом выделяется оставшаяся у этой материи энергия. Поэтому рентгеновское излучение нейтронных звезд и "настоящих" черных дыр должно выглядеть по-разному. Дон и Гирлински в своих выводах опирались на данные, полученные космическим рентгеновским телескопом Rossi X-ray Timing Explorer за 6 лет наблюдений. И оказалось, что спектры рентгеновского излучения нейтронных звезд и черных дыр сильно отличаются, и отличаются они прежде всего наклоном огибающей спектра в коротковолновой и длинноволновых областях рентгеновского диапазона длин волн. Авторы считают, что это отличие можно объяснить только тем, что нейтронная звезда имеет поверхность, а черная дыра - нет. Совсем недавно орбитальный телескоп, носящий имя американского астронома Хаббла, передал на Землю эпохальные снимки. Они показывают центр крупной галактики "Центавр-А" (NGC 5128), расположенной по космическим меркам недалеко от Земли - десять миллионов световых лет. Находящаяся там массивная черная дыра "заглатывает" маленькую соседнюю галактику. Специальная фотокамера отчетливо показала окружающий галактику NGC 5128 темный пояс из пыли со множеством светящихся голубым цветом недавно рожденных звезд и пылевых сгущений, погруженных в газовые облака. Снимки, сделанные в инфракрасных лучах, помогли астрономам заглянуть за пылевой занавес. Они открыли там изогнутую шайбу горячего газа, которая всасывается в черную дыру. Этот пожиратель материи оказался очень компактным: он немного больше нашей солнечной системы и содержит массу, равную одному миллиарду солнц.
Самым надежным доказательством существования черных дыр стало бы обнаружение излучаемых ими гравитационных волн. То, что гравитация способна распространяться подобно свету, известно с начала XX века, но до сих пор все попытки зафиксировать гравитационные волны оканчивались неудачей - слишком уж они слабы. Но техника постоянно совершенствуется, и сейчас в процессе создания находятся несколько гравитационных телескопов, как наземных, так и космических. Не исключено, что уже в первые годы работы они обнаружат вспышки гравитационного излучения, сопровождающие рождение одиночной дыры или слияние двух черных дыр.
Итак, существует 3 способа обнаружения этих объектов:
Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой «пустоте» находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.
Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какойто области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать – там должна быть черная дыра.
При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования – пять миллиардов лет.
Теория тяготения Эйнштейна предсказала существование гравитационных волн. Они подобны электромагнитным, которые являются быстро меняющимся электромагнитным полем, “оторвавшимся” от своего источника и распространяющимся в пространстве с предельно большой скоростью — скоростью света. Точно так же гравитационные волны являются изменяющимся гравитационным полем, “оторвавшимся” от своего источника и летящим в пространстве со скоростью света.
При движении тела вокруг черной дыры по круговой орбите будет происходить излучение гравитационных волн и постепенное уменьшение радиуса орбиты. Так будет продолжаться до тех пор, пока радиус не примет критического значения трех гравитационных радиусов. На меньших расстояниях движение уже неустойчиво. Следовательно, тело, достигнув критической орбиты, сделав еще несколько оборотов и излучив некоторое количество энергии, свалится с этого расстояния в черную дыру.
Какое общее количество энергии излучит тело в виде гравитационных волн за все время, пока оно двигалось вокруг черной дыры по окружности с медленно уменьшающимся радиусом? Излучение происходит крайне малоинтенсивно, но сам процесс этот длится чрезвычайно долго! Таким образом, полное количество излученной энергии будет велико. Гравитационные волны крайне слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому выделяющуюся в виде гравитационных волн энергию очень трудно уловить и использовать для практических нужд.
Когда две черные дыры сливаются, мы имеем возможность наблюдать скрутки пространства-времени, динамику скруток. Черные дыры "сделаны" не из обычной материи, а из скрученного пространства-времени. Черная дыра при своем вращении увлекает за собой пространство примерно так же, как торнадо из-за вращения закручивает воздух.
Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.
Согласно представлениям квантовой механики, вакуум – не пустота, а некая «пена пространства-времени», мешанина из виртуальных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны «выбросить» из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двухтрех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.
Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией E, уменьшит свою энергию, а с энергией E – увеличит.
В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица. Поглощение частиц с отрицательной энергией приводит к уменьшению полной энергии черной дыры – ее испарению.
Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пришел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу – испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6·108 M๏/M кельвинов, где M๏ – масса Солнца (2·1033 г), M – масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело – мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 1014-1030 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.
Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она «худеет», темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 1014 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Происхождение частиц аномально высокой энергии – еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.
Согласно теории тяготения время течет тем медленней, чем ближе часы находятся к гравитационному радиусу. Это означает, что, какие бы процессы ни протекали в сильном поле тяготения, далекий от черной дыры наблюдатель увидит их в замедленном темпе. Так, для него колебания в атомах, излучающих свет в сильном поле тяготения, происходят замедленно, и фотоны от этих атомов приходят к нему “покрасневшими”, с уменьшенной частотой. Это явление носит название гравитационного красного смещения (оно послужило основой для одной из проверок правильности теории Эйнштейна). Для нас сейчас важен тот факт, что замедление времени и покраснение света тем больше, чем ближе область излучения располагается к горизонту событий. Там время замедляет свой бег, и на самой границе черной дыры оно как бы замирает для далекого наблюдателя. Этот наблюдатель, следя, например, за камнем, падающим к черной дыре, видит, как у самой сферы Шварцшильда он постепенно тормозится и приблизится к границе черной дыры лишь за бесконечно долгое время. Аналогичную картину увидит далекий наблюдатель при самом процессе образования черной дыры — когда под действием тяготения само вещество звезды падает, устремляется к ее центру. Для него поверхность звезды лишь за бесконечно долгое время приближается к сфере Шварцшильда, как бы застывая на гравитационном радиусе. Поэтому раньше черные дыры называли еще застывшими звездами. Но это застывание вовсе не значит, что наблюдатель будет вечно созерцать застывшую поверхность звезды на гравитационном радиусе. Вспомним о замедлении времени, о покраснении света, выходящего из сильного гравитационного поля. С приближением поверхности звезды к гравитационному радиусу наблюдатель видит все более и более покрасневший свет звезды, несмотря на то, что на самой звезде продолжают рождаться обычные фотоны. Менее энергичные, покрасневшие, фотоны к тому же приходят к наблюдателю все реже и реже. Интенсивность света падает.
К факту покраснения света из-за замедления времени, обусловленного сильным полем тяготения, прибавляется еще покраснение света из-за эффекта Доплера. Действительно, ведь поверхность сжимающейся звезды неуклонно удаляется от наблюдателя. А известно, что свет от удаляющегося источника воспринимается также покрасневшим.
Итак, совместное действие эффекта Доплера и замедления времени в сильном поле тяготения ведет к тому, что с приближением поверхности звезды к сфере Шварцшильда далекий наблюдатель видит свет все более покрасневшим и все меньшей интенсивности — звезда становится невидимой. Ее яркость стремится к нулю, и ни в какие телескопы ее нельзя уже обнаружить. При этом потухание происходит для далекого наблюдателя практически мгновенно. Так, звезда с массой Солнца после того, как она сожмется до размеров удвоенного гравитационного радиуса, потухнет для внешнего наблюдателя за стотысячную долю секунды.
Нельзя обнаружить поверхность застывшей у гравитационного радиуса звезды и радиолокационным методом. Радиосигналы будут бесконечно долго двигаться к гравитационному радиусу и никогда не вернутся к пославшему их наблюдателю. Звезда для внешнего наблюдателя полностью “исчезает”, и остается только ее гравитационное поле. Внешний наблюдатель никогда не увидит то, что произойдет со звездой после ее сжатия до размеров меньше гравитационного радиуса. Когда же она станет меньше гравитационного радиуса? После бесконечно долгого времени!
Вот тут-то и проявляется одна из самых удивительных и важных истин, открытых теорией относительности, — относительность временных промежутков, зависимость их от состояния движения наблюдателя. Вспомним, что уже в специальной теории относительности, где роль гравитационных полей не учитывается, один и тот же процесс с точки зрения разных наблюдателей имеет различную длительность: часы на быстро летящей ракете идут с точки зрения наземного наблюдателя медленнее, чем его собственные. Это явление проверено непосредственным физическим экспериментом. В случае же падения к черной дыре относительность длительности процесса проявляется в совершенно удивительном виде. Представим себе ряд наблюдателей, расположенных вдоль линии, продолжающей радиус черной дыры, и неподвижных по отношению к ней. Например, они могут находиться на ракетах, двигатели которых работают, не давая наблюдателям падать на черную дыру. Далее, представим себе еще одного наблюдателя на ракете с выключенным двигателем, который свободно падает к черной дыре. По мере падения он проносится мимо неподвижных наблюдателей с всевозрастающей скоростью. При падении к черной дыре с большого расстояния эта скорость равняется второй космической скорости. Скорость падения стремится к световой, когда падающее тело приближается к гравитационному радиусу. Ясно, что темп течения времени на свободно падающей ракете с ростом скорости уменьшается. Это уменьшение настолько значительное, что с точки зрения наблюдателя с любой неподвижной ракеты для того, чтобы падающий успел достичь сферы Шварцшильда, проходит бесконечный промежуток времени, а по часам падающего наблюдателя это время соответствует конечному промежутку. Таким образом, бесконечное время одного наблюдателя на неподвижной ракете равно конечному промежутку времени другого (на падающей ракете), причем промежутку очень малому, — для массы Солнца это всего стотысячная доля секунды. Что может быть более наглядным примером относительности временной протяженности?
Итак, по часам, расположенным на сжимающейся звезде, она за конечное время сжимается до размеров гравитационного радиуса и будет продолжать сжиматься дальше, к еще меньшим размерам. Но далекий внешний наблюдатель, этих последних этапов эволюции никогда не увидит.
Согласно ньютоновской теории тяготения любое тело в гравитационном поле звезды движется либо по разомкнутым кривым — гиперболе или параболе, — либо по замкнутой кривой — эллипсу (в зависимости от того, велика или мала начальная скорость движения). У черной дыры на больших от нее расстояниях поле тяготения слабо, и здесь все явления с большой точностью описываются теорией Ньютона, то есть законы ньютоновской небесной механики здесь справедливы. Однако с приближением к черной дыре они нарушаются все больше и больше. По теории Ньютона, если скорость тела меньше второй космической, то оно движется по эллипсу около центрального тела — тяготеющего центра. У эллипса есть ближайшая к тяготеющему центру точка (периастр) и наиболее удаленная (апоастр). По теории Эйнштейна, в случае движения тела со скоростью, меньшей второй космической, траектория его также имеет периастр и апоастр, но она уже не эллипс; оно движется по незамкнутой орбите, то приближаясь к черной дыре, то снова удаляясь от нее. Траектория вся целиком лежит в одной плоскости, но вблизи черной дыры она может выглядеть весьма причудливо. Если же она лежит достаточно далеко, то вид ее представляет собой медленно поворачивающийся в пространстве эллипс. Очень интересно рассмотреть простейшее периодическое движение тела в поле черной дыры по круговой орбите. По теории Ньютона, движение по кругу возможно на любом расстоянии от тяготеющего центра. Из теории Эйнштейна следует, что это не так. Чем ближе к тяготеющему центру, тем больше скорость движущегося по окружности тела. На окружности, удаленной на полтора гравитационных радиуса, скорость обращающегося тела достигает световой. На еще более близкой к черной дыре окружности движение его вообще невозможно, ибо для этого ему потребовалась бы скорость больше скорости света. Но, оказывается, в реальной ситуации движение по окружности вокруг черной дыры невозможно и на больших расстояниях, начиная с трех гравитационных радиусов, когда скорость движения составляет всего половину скорости света. На расстояниях меньше трех гравитационных радиусов движение по окружности неустойчиво. Малейшее возмущение, сколько угодно малый толчок заставят вращающееся тело уйти с орбиты и либо упасть в черную дыру, либо улететь в пространство (ничего похожего не предусматривает ньютоновская “Небесная механика”). Но, пожалуй, самое интересное и необычное в новой небесной механике — это возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из космоса. Напомним, что в ньютоновской механике всякое тело, прилетающее к тяготеющей массе из космоса, описывает вокруг нее параболу или гиперболу и (если не врежется в поверхность тяготеющей массы) снова улетает в космос — гравитационный захват невозможен. Иначе обстоит дело в поле тяготения черной дыры. Конечно, если прилетающее тело движется на большом расстоянии от черной дыры (на расстоянии десятков гравитационных радиусов и больше), там, где поле тяготения слабо и справедливы законы механики Ньютона, то оно движется почти точно по параболе или гиперболе. Но если оно пролетает достаточно близко от дыры, то его орбита совсем не похожа на гиперболу или параболу. В случае, если оно вдали от черной дыры имеет скорость много меньше световой и его орбита подходит близко к окружности с радиусом, равным двум гравитационным радиусам, то оно обернется вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем снова улетит в космос. Наконец, если вращающееся тело подойдет вплотную к указанной окружности двух гравитационных радиусов, то его орбита будет на эту окружность навиваться; тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и никогда снова не улетит в космос. Если тело подойдет еще ближе к черной дыре, оно упадет в черную дыру и также окажется гравитационно захваченным. Прежде чем перейти к другим физическим явлениям в поле тяготения черной дыры, сделаем еще одно замечание, касающееся второй космической скорости. Мы уже говорили раньше, что для второй космической скорости справедлива формула теории Ньютона и тело, обладающее такой и большей скоростью, навсегда улетает от черной дыры в космос.
Однако, если тело движется к черной дыре непосредственно вдоль радиуса, то, какую бы скорость оно ни имело, оно врежется в черную дыру и не улетит в космос. Более того, нам теперь известно, что если тело будет двигаться хоть и не прямо по радиусу к черной дыре, но орбита его пройдет на достаточно близком расстоянии от черной дыры, то оно будет гравитационно захвачено. Следовательно, чтобы вырваться из окрестностей черной дыры, мало иметь скорость больше второй космической, надо еще, чтобы направление этой скорости составляло с направлением на черную дыру угол больше некоторого критического значения. Если угол будет меньше, тело гравитационно захватится, если больше (и скорость равна второй космической), то улетит в космос. Значение этого критического угла зависит от расстояния до черной дыры. Чем дальше от нее, тем меньше критический угол. На расстоянии нескольких гравитационных радиусов надо уже точно “прицелиться” в черную дыру, чтобы быть ею захваченной.
Итак, черные дыры слишком далеки от нас, поэтому мы не можем со 100% точностью говорить об их свойствах и наблюдаемых возле них эффектах. Теория относительности позволяет предсказать некоторые свойства этих удивительных объектов связанные с пространством-временем, а насколько верны эти предположения нам еще предстоит узнать в будущем.
Завершая статью, можно сделать следующие основные выводы:
Черные дыры обладают тремя важными характеристиками: массой, зарядом, вращательным импульсом.
Они обнаруживаются тремя способами:
по рентгеновскому излучению падающего вещества;
по воздействию на окружающие объекты;
по сильному гравитационному излучению.
Черные дыры не являются вечными.
Они могут являться источниками энергии (суперрадиация).
Они имеют главную роль в активных галактических ядрах.
Они осуществляют движение газа в галактических кластерах.
Сверхмассивные черные дыры образуют вокруг себя галактики и более крупные скопления материи.
Существует еще множество различных теорий по поводу поведения черных дыр в тех или иных условиях. Пока еще гравитационное оборудование не принесло революцию в астрономический мир, над черными дырами трудятся сотни теоретиков и математиков. Например, была разработана теория, согласно которой в случае ассиметричного коллапса звезды, асимметричность уберется за счет излучения гравитационных волн. Также были разработаны теории о переходе в будущее и в прошлое, через “кротовую нору”, только для этого все равно телу пришлось бы пройти через сингулярность, что означало бы разрушение материи. Теория гравитации Эйнштейна не учитывает результатов другой великой физической теории XX века - квантовой механики. Не исключено, что вблизи центра черной дыры законы общей теории относительности уступают место законам объединенной теории - квантовой гравитации или попросту “Теории Всего”. И черная дыра - не символ отчаяния и невозвратимости, а объект, раскрытие тайн которого будет означать крупный, может быть, даже решающий шаг к полному постижению сути пространства и времени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Быковский О.А. “Гравитационный парадокс и его решение”, 2000 г.
2. Журнал “Наука и жизнь”, № 8 и № 3, 2000 г.
3. Торн К.С. “Путешествие среди чёрных дыр”, 2002 г.
4. Энциклопедия Аванта+ “Астрономия”, 2001 г.
5. http://atheismru.narod.ru
6. http://kuasar.narod.ru
7. http://www.astronet.ru
8. http://www.ibmh.msk.su
9. http://www.referat.ru/referats/view/20740
|
