Феномен «Черных дыр»

«Для того чтобы поле тяготения  смогло «запереть» излучение и вещество, масса должна сжатья до объема, радиус которого меньше гравитационного радиуса. Сфера отделяет доступную часть  пространства-времени от недоступной для внешнего далекого наблюдателя.»³

Особенность сферы в том, что сила притяжения здесь равна  бесконечности в двух областях –  в центре сферы и на её поверхности. Поверхность сферы называют горизонтом событий черной дыры – это область, за которую никто не выходит. Горизонт событий бесконечным потенциальным  барьером отделяет черную дыру от внешнего наблюдателя. Объект, попавший под горизонт событий, будет неуклонно падать к центру черной дыры, подвергаясь действию все более интенсивных и деформирующих его гравитационных сил.

3. Масса

Рассмотрим черную дыру, которая возникает при сжатии не сферического (сплюснутого тела).

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.

4. Тайны черных дыр

Как бы фантастически это  не звучало, черные дыры представляют собой обычное явление во Вселенной; и ученые имеют множество доказательств  того, что черные дыры существуют, пусть  даже их невозможно увидеть непосредственно.

Макклинток и Нарайан изучали хорошо известную систему черной дыры под названием GRS 1915+105, в созвездии Орла, находящуюся на расстоянии около 35000 световых лет от Земли. Сама по себе черная дыра невидима, но вещество, вливающееся в нее, видно очень отчетливо.

GRS 1915+105 – это система из двух звезд. Газ из «обычной звезды» перетекает в черную дыру, притягиваемый гравитационным полем. Газ по спирали вливается в черную дыру, словно вода по водостоку: но он не вливается сразу внутрь, а сначала кружится вокруг черной дыры, образуя запас вещества, называемый аккреционный диск.

Газ в аккреционном диске довольно сильно нагревается и излучает свет в довольно широком диапазоне длин волн. Внутренняя часть аккреционного диска, расположенная ближе всего к черной дыре, может излучать особенно яркие рентгеновские лучи. Не все черные дыры представляют собой бинарные системы звезд, но те, которые являются двойными, могут обнаружить себя, когда они подкрепляются газом от своей звезды-компаньона. Отдельные черные дыры, с другой стороны, подпитываются только за счет разреженного газа в межзвездном пространстве, и, следовательно, их очень тяжело обнаружить.

До сих пор мы говорили о процессах вокруг черной дыры. Обратимся теперь к самому захватывающему и интригующему: попробуем подойти  к границе черной дыры — к краю этой бездонной пропасти (ее нельзя ничем заполнить) и попытаемся заглянуть  внутрь.

Впрочем, мы знаем, что слово  «заглянуть» здесь неуместно. Увидеть, что происходит внутри черной дыры невозможно, даже достигнув ее границы. Для этого необходимо последовать внутрь черной дыры. В принципе это возможно, например, при простом свободном падении (находясь в космическом аппарате) в поле тяготения черной дыры. За конечное собственное время такого падающего наблюдателя он достигнет горизонта и будет продолжать падать дальше.

Но мы уже знаем, что  такое путешествие будет иметь  для космонавта самые серьезные  последствия. Ведь из черной дыры ничто  не возвращается, ничто не выходит  во внешнее пространство. Никогда  не сможет вернуться и космонавт, какой бы мощностью ни обладали ракетные двигатели его аппарата. Он не сможет также и послать нам какое-либо сообщение о своих наблюдениях (хотя и может продолжать получать сообщения от нас). И тем не менее в принципе такое путешествие возможно.

Прежде чем отправиться  вместе с космонавтом, вспомним еще  одно гравитационное явление, хорошо всем известное. Речь идет о приливных  гравитационных силах. Эти силы проявляются  потому, что все тела, находящиеся  в поле тяготения, имеют некоторые  размеры. А поля тяготения всегда неоднородны, и разные точки притягиваемых  тел испытывают несколько различную  силу тяготения.

Пусть тело находится в  поле тяготения планеты. Точки тела, находящиеся ближе к планете, будут испытывать более сильное  тяготение, чем точки, отстоящие  дальше. Эта разность сил тяготения  и называется приливной силой, стремящейся  растянуть, разорвать тело. Приливная  сила тем больше, чем резче меняется поле тяготения отточки к точке. Такая «разностная» сила проявляется  и при свободном падении тела, и при покое. В этом отношении  она резко отличается от действия самого тяготения, которое не проявляется  в состоянии свободного падения.

Но вернемся к наблюдателю, падающему в черную дыру. Поместим сначала его на поверхность звезды, которая находится в состоянии  релятивистского коллапса. Противоборствующие силы давления вещества звезды при этом практически уже не оказывают никакого сопротивления нарастающей гравитации, поверхность звезды пересекает гравитационный радиус и продолжает сжиматься дальше. Процесс остановиться не может, и за короткий промежуток времени (по часам наблюдателя на поверхности звезды) эта поверхность сожмется в точку, а плотность вещества станет бесконечной. Достигается, как говорят физики, сингулярное состояние.

при приближении к сингулярности  приливные гравитационные силы стремятся  к бесконечности. Это означает, что  любое тело (в том числе и  наш воображаемый наблюдатель) будет  разорвано. То же самое ожидает и  любое тело, падающее в черную дыру уже после сжатия звезды, оно также  достигает сингулярности. Можно  ли как-нибудь избежать падения в  сингулярность, если тело уже находится  под горизонтом?

Оказывается, нет. Падение  в сингулярность неизбежно. Как  бы космонавт ни маневрировал на своей  ракете, как бы ни были мощны двигатели, ракета быстро упадет в сингулярность.

Самое «долгое» время, которое  ракета может просуществовать внутри черной дыры после пересечения горизонта, равно примерно времени, за которое  свет проходит расстояние, равное размеру  черной дыры. Это короткий миг. Для  дыры с массой в десять масс Солнца максимально «долгое» время существования  равняется всего одной стотысячной  доле секунды.

Чтобы просуществовать это  максимально «долгое» время, космический  корабль должен осуществить следующий  маневр. При падении в черную дыру нужно включить на полную мощность двигатель при подлете к горизонту  так, чтобы почти остановиться у  самого горизонта. После этого необходимо выключить двигатель и дать кораблю  свободно падать вдоль радиуса (от горизонта  до сингулярности). Время такого падения  и будет максимальным временем существования. Любые попытки космонавтов как-то затормозить с помощью включения  двигателя падение внутрь черной дыры или попытки направить корабль  в орбитальное движение приведут только к тому, что корабль упадет в сингулярность за более короткий промежуток времени (по часам космонавта).

Давайте сравним приливные  силы, которые действуют на космонавтов  в кабине космического корабля на орбите вокруг Земли и на космонавта, падающего в черную дыру.

В первом случае приливные  силы растягивают тело космонавта совершенно незаметным образом, их действия соответствуют  давлению одной десятимиллиардной  доле атмосферы.

При падении же в черную дыру эти силы огромны даже еще  на ее границе. Оказывается, чем меньше масса и размер дыры, тем больше приливные силы на горизонте. Для  дыры с массой в тысячу масс Солнца приливные силы соответствуют давлению ста атмосфер. Такие нагрузки человеческое тело уже выдержать не может. Для  меньших черных дыр приливные  силы на границе еще больше...

Следовательно, если черная дыра имеет массу меньше тысячи солнечных, то человек, приблизившись к ней, не может остаться в живых.

Разумеется, при падении  космического корабля даже в очень  большею черную дыру, на границе  которой человеку не угрожает опасность  быть разорванным приливными силами, корабль в конце концов начнет неудержимо падать к сингулярности, а тогда неограниченно нарастающие приливные силы все равно рано или поздно разорвут любое тело. Таким образом, не желая кончать жизнь самоубийством, космонавт не станет по собственной инициативе проникать в черную дыру.

Мы рассмотрели столь  ужасный мысленный эксперимент, чтобы показать суть основного явления, возникающего внутри черной дыры,

— безудержный рост приливных  сил, заканчивающихся сингулярностью.

О всех событиях, протекающих  внутри черной дыры, наблюдатель, оставшийся вне ее, знает, только теоретически. Он не может получить о них никаких сведений, никаких сигналов из-под горизонта черной дыры.

Первая из тайн черных дыр  – это если туда упадет объект, то содержащая в нем информация будет  потеряна?

«На первый взгляд это осложнение, вызванное существованием черных дыр, может показаться несущественным. Все, что скрылось за горизонтом событий черной дыры, отрезано от остального мира — так не проще ли вообще забыть об объектах, которых угораздило туда попасть? Кроме того, рассуждая философски, разве нельзя представить себе, что информация, которую переносили попавшие о дыру объекты, не потеряна для Вселенной, а просто скрыта в области пространства, которую мы, разумные существа, решили избегать любой ценой? До открытия Хокингом того, что черные дыры не совсем черные, ответ на эти вопросы был бы положительным. Но результат Хокинга об излучении черных дыр все меняет. Излучение переносит энергию, и поэтому при излучении черной дыры ее масса медленно уменьшается — дыра медленно испаряется. При этом расстояние от центра дыры до горизонта событий постепенно сокращается, и когда завеса отступает, прежде отрезанные от мира области снова оказываются на сцене космического бытия. Вот тут-то мы со своими философскими доводами и наступаем на грабли: восстановится ли информация, которую переносили проглоченные дырой объекты и которая, как мы представляли, хранится внутри черной дыры, после того, как черная дыра испарится? Без этой информации квантовый детерминизм будет нарушен, так что последний вопрос приобретает глубокий смысл: не могут ли черные дыры вносить еще больший элемент случайности в эволюцию Вселенной?

 И хотя спор не  разрешен Хокинг признал, что может существовать способ восстановления информации. Но я считаю, что если принимать эйнштейновскую теорию относительности всерьез, придется допустить, что пространство-время может само связываться в узлы, приводя к потере информации в их складках. Определение того, может ли информация теряться на самом деле, является одним из важнейших вопросов современной теоретической физики».⁴