Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

Итак, черные дыры — это объекты, радиус которых равен гравитационному радиусу для данной массы. Иначе можно сказать, что все вещество черной дыры находится внутри сферы Шварцшильда. Поэтому эффекты ОТО играют для таких объектов решающую роль. В столь сильных гравитационных полях свойства пространства описываются уже не привычной нам евклидовой геометрией, а так называемой римановой геометрией, в которой хорошо знакомые нам геометрические соотношения оказываются недействительными.

В области черных дыр совершенно необычным образом протекают и временные процессы. Согласно общей теории относительности, в сильных гравитационных полях течение времени замедляется. Поэтому ход физических процессов в черной дыре и вблизи нее для наблюдателя, находящегося на большом расстоянии в обыкновенной среде, и для наблюдателя «вблизи» и «внутри» черной дыры будет выглядеть по-разному. Для внешнего наблюдателя процесс сжатия коллапсирующего вещества будет протекать бесконечно длительное время. А момента вхождения массы «под» гравитационный радиус он вообще не дождется, так как вблизи границы черной дыры время останавливается.

Иную картину увидел бы воображаемый наблюдатель, падающий вместе с веществом в черную дыру. Он за конечный промежуток времени достиг бы гравитационного радиуса и продолжал падение к центру черной дыры.

Таким образом, ход времени вне черной дыры и внутри нее оказывается качественно различным. С точки зрения обычной «земной» логики и здравого смысла, опирающегося на круг явлений, привычных для человека и протекающих в привычной для него среде обитания, эти рассуждения о неодинаковом ходе времени могут показаться странными и противоречивыми. Тем не менее они соответствуют реальности.

Еще одно принципиальное отличие между теорией тяготения Ньютона и ОТО состоит в следующем. С точки зрения классической теории гравитационное поле центральносимметричного тела, например шара, не зависит от того, неподвижен этот шар или он вращается. Другими словами, в классической физике поле тяготения полностью определяется распределением масс в данный момент.

Иначе обстоит дело в гравитационной теории Эйнштейна. Как мы уже знаем, при отсутствии вращения сила тяготения обращается в бесконечность на сфере Шварцшильда. Однако, если черная дыра (будем для простоты считать ее сферической) вращается, то обращение силы тяготения в бесконечность происходит на некоторой поверхности, охватывающей сферу Шварцшильда. Эта поверхность получила название границы эргосферы, а пространство, заключенное между нею и сферой Шварцшильда, называется эргосферой.

Любое движущееся тело, оказавшееся внутри эргосферы или на ее поверхности, будет увлекаться в движение вокруг черной дыры. При этом оно может как приближаться к сфере Шварцшильда, так и удаляться от нее, а также пересекать границу эргосферы в разных направлениях.

В частности, если какая-нибудь частица, оказавшаяся в эргосфере, распадается на две частицы, то одна из них может быть поглощена черной дырой, а другая вылететь наружу, увеличив за этот счет свою кинетическую энергию. Таким образом, из области эргосферы может происходить частичный возврат энергии, накопленной черной дырой. Хотя, как показывают расчеты, подобный механизм «выкачивания» энергии не слишком эффективен.

Во вращающихся и заряженных коллапсирующих объектах фаза сжатия может смениться фазой расширения. А это, в свою очередь, может привести к образованию «белой дыры». Н. С. Кардашев предложил «мысленный эксперимент», наглядно иллюстрирующий свойства черных и белых дыр. Он рассмотрел ощущения воображаемого наблюдателя, погружающегося на космическом корабле в заряженную черную дыру. Оказывается, такой «путешественник» никогда не возвратится в свой мир. Проникновение в заряженную черную дыру с последующим выходом в белую дыру будет соответствовать путешествию на «машине времени», которая проходит бесконечно большие расстояния за конечные промежутки времени и преодолевает в конечном интервале собственного времени (времени, протекающего для наблюдателя) бесконечно большие интервалы времени для «внешних» наблюдателей. В этом путешествии наблюдатель «выныривает» как бы в «абсолютном будущем» — в мире, которым, может быть, станет наш мир через невообразимо огромные промежутки времени. Мало того, возможно, что этот «новый» мир не связан с нашим миром никаким простым пространственно-временным образом, а отделен от него бесконечным интервалом времени. И в него обычным способом нельзя попасть никогда.

Очень интересны эффекты, сопутствующие такому воображаемому путешествию. Н. С. Кардашев отмечает, что наблюдатель на космическом корабле во время погружения в черную дыру увидит все будущее нашей Вселенной, а при выходе из белой дыры — все прошлое «новой» Вселенной.

А как обстоит дело с «захоронением» вещества внутри черных дыр? Так ли оно бесповоротно? Или при каких-то обстоятельствах это вещество все же может «возвращаться» во Вселенную?

В 1974 г. было теоретически показано, что квантовые эффекты, связанные с черными дырами, должны приводить к тому, что и эти объекты излучают подобно абсолютно черному телу с температурой, не равной нулю, и тем самым теряют свою массу (испаряются). Однако более или менее ощутимым такое излучение может быть только для черных «мини-дыр», т. е. дыр с массой в миллиарды миллиардов раз меньше солнечной. Так, дыра с массой порядка нескольких миллиардов тонн может полностью испариться за 10 млрд. лет, т. е. за срок, сравнимый с возрастом нашей Вселенной. В современную эпоху подобные «мини-дыры» в нашей Вселенной вряд ли могут возникать, по крайней мере для этого не видно соответствующих физических процессов. Но на ранней стадии расширения их возникновение, вероятно, было возможно. Однако к нашему времени такие реликтовые черные дыры должны были полностью испариться. Что же касается черных дыр с несколько большими массами, то они в принципе могли «дожить» и до нашего времени. Сейчас подобные объекты должны переживать заключительную стадию своей эволюции, а именно бурно «испаряться». Однако поиски подобных объектов пока что не принесли успеха.

До сих пор речь шла, так сказать, о теоретической стороне дела. Однако для того, чтобы убедиться в том, что черные дыры не просто «теоретическая возможность», а действительно существующие во Вселенной объекты, надо обнаружить хотя бы одну реальную черную дыру.

Как показывают теоретические расчеты, в черные дыры в принципе могут на заключительных стадиях своей эволюции превращаться звезды с массой в 3 и более раз превосходящей массу Солнца. Есть несколько космических объектов, которые находятся «на подозрении». Однако даже относительно наиболее вероятного кандидата в черные дыры такого рода — рентгеновского источника в созвездии Лебедя полной уверенности все же нет, хотя наблюдения этого объекта и не противоречат гипотезе о черной дыре.

Дело в том, что картина, которая наблюдается, в принципе может иметь и другие объяснения. По мнению некоторых ученых, образование черных дыр в результате «умирания» массивных звезд вообще представляет собой довольно редкое явление.

«Звезда, — пишет академик В. Л. Гинзбург, — может окончить свой жизненный путь одним из четырех способов: взорваться без остатка, превратиться в белый карлик, превратиться в нейтронную звезду и, наконец, стать черной дырой. Возможно, и некоторые известные из литературы расчеты подкрепляют это предположение, что конечное состояние в форме черной дыры достигается лишь при редком стечении условий и параметров»[13]).

Впрочем, коллапс массивных звезд — не единственная возможность образования черных дыр во Вселенной. Вернемся к обсуждавшемуся в предыдущей главе вопросу о природе квазаров и ядер галактик.

Прибегая к известной кибернетической терминологии, можно сказать, что «сердцевины» или, как их называют, «керны» этих объектов представляют собой «черные ящики», т. е. образования, внутреннее устройство которых нам неизвестно, и мы можем судить о нем лишь по «входным» и «выходным» сигналам. По мнению некоторых исследователей, основанному на существующих наблюдательных данных, керны не находятся в каких-то особых, экстраординарных условиях, и протекающие в них явления можно в принципе объяснить в рамках известных нам физических закономерностей и физических процессов. Высказывается, например, предположение, согласно которому керн представляет собой вращающееся магнитоплазменное образование магнитоид (иногда его называют спинаром). Согласно другой гипотезе, керны квазаров и ядер галактик являются массивными черными дырами.

По мнению некоторых ученых, их масса может достигать миллиардов солнечных масс. Такие черные дыры способны «заглатывать» окружающее вещество, в том числе небольшие небесные тела, разрывать приближающиеся к ним звезды или срывать с них атмосферные оболочки и «питаться» образующимся при этом газом.