Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Торн Кип

Кривизну пространства вокруг заряженной черной дыры и силовые линии ее электрического поля можно изобразить с помощью диаграммы (левая часть рис. 7.6). По сути, это та же диаграмма, что и справа внизу на рис. 3.4, но без звезды (зачерненный участок на рис. 3.4), так как звезда находится внутри черной дыры и поэтому больше не поддерживает контакта с внешней Вселенной. Точнее говоря, на этой диаграмме изображена экваториальная «плоскость» — двумерный срез пространства вокруг черной дыры, погруженной в трехмерное гиперпространство. (Объяснение таких диаграмм дано на рис. 3.3 и в соответствующем месте в тексте.) Экваториальная «плоскость» обрезана горизонтом событий черной дыры, так что мы видим только окрестности черной дыры снаружи, но не изнутри. Горизонт событий, который в реальности представляет собой поверхность сферы, выглядит как окружность на этой диаграмме, так как мы видим только его экватор. На диаграмме видно, как силовые линии электрического поля черной дыры радиально выходят из горизонта событий. Если мы посмотрим на эту диаграмму сверху (правая часть рис. 7.6), мы не увидим искривления пространства, но более ясно увидим силовые линии электрического поля.

Слева: Рой Керр, фото 1975 г. Справа: Брендон Картер, читающий доклад о черных дырах на летней школе во французских Альпах в июне 1972 г. [Слева: предоставлено Роем Керром; Справа: фото Кипа Торна]

Влияние вращения на черную дыру стало понятно только в конце 1960-х годов. Это понимание пришло в основном благодаря Брендону Картеру, студенту Сиамы в Кембридже.

Когда Картер вошел в группу Сиамы осенью 1964 г., Сиама предложил ему в качестве первой задачи исследовать схлопывание вращающихся звезд. Сиама объяснил, что все предыдущие расчеты касались схлопывания идеализированных невращающихся звезд. Теперь же пришло время исследовать эффекты вращения. Новозеландский математик по имени Рой Керр только что опубликовал статью, в которой дал решение уравнения поля Эйнштейна, описывающее пространственно-временную кривизну вокруг вращающейся звезды. Это было первое решение для вращающихся звезд. К несчастью, сообщил Сиама, это очень специфическое решение. Оно не может описать все вращающиеся звезды. Вращающиеся звезды имеют много «волос» (много разных свойств, таких как сложные формы и сложное внутреннее движение газа), а решение Керра было «безволосым»: формы пространственно-временной кривизны были очень гладкими и простыми, слишком простыми, чтобы соответствовать типичным вращающимся звездам. Тем не менее, решение, полученное Керром для уравнения поля Эйнштейна, было шагом вперед.

7.7. Диаграмма, показывающая «торнадоподобное завихрение» пространства, создаваемое вращением черной дыры

Картер взялся за решение этой задачи и очень быстро смог получить ответ. В течение года он показал, что решение Керра описывает не просто вращающуюся звезду, но вращающуюся черную дыру. (Это открытие было также независимо сделано Роджером Пенроузом в Лондоне, Робертом Бойером в Ливерпуле и Ричардом Линдквистом, бывшим студентом Уилера, работавшим в Веслиянском университете в Мидлтауне, Коннектикут.) К середине 1970-х годов Картер и другие исследователи сделали еще одно открытие: решение Керра описывает не только специфический тип вращающихся черных дыр, но все вращающиеся черные дыры, которые в принципе могут существовать.

Физические свойства вращающейся черной дыры являются следствием математического решения Керра. Картер, погрузившись в эту математику, понял, какими должны быть эти свойства. Одним из наиболее интересных свойств было завихрение, которое дыра создает в пространстве вокруг себя.

Это завихрение изображено на диаграмме рис. 7.7. Экваториальная поверхность черной дыры имеет форму горна (двумерный срез пространства вокруг черной дыры) и вложена в плоское трехмерное гиперпространство. Вращение черной дыры влияет на окружающее пространство (воронкообразная поверхность) и закручивает его в вихрь, скорости в котором пропорциональны длине стрелок на диаграмме. Сравнивая с обычным земным торнадо, в котором вдали от середины воздух вращается медленно, можно сказать, что вдали от горизонта событий черной дыры пространство вращается медленно. В середине торнадо на Земле воздух вращается быстрее, и аналогично, возле горизонта событий черной дыры пространство быстро вращается. На горизонте пространство прочно привязано: оно вращается с той же самой скоростью, что и горизонт событий.

Вихрь пространства безжалостно увлекает частицы, которые падают в черную дыру. Рис. 7.8 показывает траектории двух таких частиц в системе координат статичного внешнего наблюдателя, т. е. в системе координат наблюдателя, который не падает через горизонт событий в черную дыру.

Орбита падающей частицы а

Орбита падающей частицы б

7.8. Траектории двух частиц, падающих в черную дыру. (Так, как они видны в неподвижной внешней системе отсчета.) Несмотря на то, что они движутся вначале совершенно по-разному, обе частицы увлекаются завихрением пространства и при приближении к горизонту событий начинают вращаться вместе с черной дырой

Первая частица (рис. 7.8а) мягко падает в черную дыру. Если бы дыра не вращалась, эта частица, подобно поверхности схлопывающейся звезды, падала бы вначале по радиусу все быстрее и быстрее. Затем неподвижный внешний наблюдатель увидел бы, что она замедлила свое падение и остановилась прямо на горизонте. (Вспомним «замерзшие звезды» главы 6.) Из-за вращения черной дыры этот процесс происходит иначе. Вращение вызывает завихрение пространства, которое вынуждает частицу при ее приближении к горизонту событий вращаться в связке с самим горизонтом. Частица, таким образом, вмораживается во вращающийся горизонт событий, и статичный внешний наблюдатель увидит, что она будет всегда вращаться вместе с горизонтом. (Таким же образом при схлопывании вращающейся звезды и превращении ее во вращающуюся черную дыру внешний статичный наблюдатель увидит, что поверхность звезды «вмораживается» во вращающийся горизонт, с которым ей суждено вращаться вечно.)

Хотя внешние наблюдатели видят, что частица на рис 7.8а вмерзла во вращающийся горизонт и навечно там осталась, сама частица видит нечто совершенно другое. При приближении частицы к горизонту время частицы из-за гравитационного замедления течет все более медленно по сравнению со временем статичной внешней системы отсчета. За бесконечное внешнее время для частицы пройдет ограниченный и очень маленький промежуток времени. За этот конечный промежуток времени частица достигнет горизонта событий черной дыры и затем быстро нырнет прямо под горизонт событий по направлению к центру черной дыры. Эта огромная разница между тем, как видят падение частицы внешние наблюдатели и сама частица, полностью соответствует тому, как по-разному видно схлопывание звезды с поверхности (быстрое ныряние под горизонт) и внешними наблюдателями (замерзание схлопывания; последняя часть главы 6).

Вторая частица (рис. 7.8б) падает в черную дыру по закручивающейся траектории, которая вращается противоположно направлению вращения черной дыры. Однако когда частица ближе подходит к горизонту событий, завихрение пространства ее подхватывает и меняет направление ее вращения на обратное. Как и первая частица, она захватывается горизонтом событий, и будет вращаться вместе с ним. Так это будет выглядеть для внешних наблюдателей.