Черные дыры и пространственно-временные парадоксы

По классической теории тяготения  Ньютона одно тело, двигаясь вблизи другого, описывает разные траектории, имеющие в разных случаях форму  гиперболы, параболы или эллипса. Ясно, что никаких особенностей в этом плане вблизи черной дыры из классической механики не следует. Но они следуют  из теории относительности. Так, замкнутая  в классическом случае эллиптическая  траектория одного тела около другого  становится незамкнутой, если этим другим телом является черная дыра. Пролетающее  тело навивает траектории вокруг черной дыры, то приближаясь, то удаляясь от нее, но на свою старую траекторию не возвращается. Кстати, все траектории при этом располагаются в одной плоскости. Если траектория тела не подходит очень  близко к черной дыре, то ее можно  представить в виде поворачивающегося  эллипса. Он имеется и у планет нашей Солнечной системы. Но составляет он за сто лет менее одной угловой  минуты. Тем не менее он был измерен  и было показано, что он точно  соответствует теории относительности. Черная дыра изменяет не только траекторию движущейся вблизи нее частицы, но и  ее скорость. Вблизи черной дыры частица  старается двигаться быстрее. Если она попадает на удаление гравитационного  радиуса, то она должна двигаться  со скоростью света. Ясно, что ближе частица двигаться по кругу не может, так как для этого ей надо превысить скорость света.

Но движение тела вокруг дыры на расстояниях ближе чем  три гравитационных радиуса неустойчиво, поэтому оно реально невозможно: неустойчивость приводит к возмущению движения и частица сходит с круговой траектории и (или) падает внутрь черной дыры или же улетает в направлении от дыры.

Если тело летит из космоса  вблизи черной дыры, то оно может  быть ею захвачено. Пролетая мимо черной дыры, тело может обернуться вокруг дыры несколько раз и снова  улететь в космическое пространство. Так происходит в том случае, если тело подошло близко к окружности с радиусом, который равен двум гравитационным радиусам. Но если оно  село на эту окружность, то его орбита будет навиваться на нее. Это тело уже никуда от черной дыры не денется, она его гравитационно захватила. Еще более близкий подход тела к черной дыре чреват катастрофическими  для него последствиями — оно  упадет в черную дыру.

Движущееся вокруг черной дыры тело излучает гравитационные волны. Вообще все небесные тела при своем  движении излучают гравитационные волны. Но они несут очень малую энергию, и пока что их не удается замерить. Но если тело движется вокруг черной дыры, то излученные им за это время гравитационные волны должны содержать весьма внушительную энергию (в шесть раз больше, чем  при ядерном синтезе, когда в  энергию превращается только один процент  массы вещества).

Движение фотонов около  черной дыры также непроизвольно, Они  могут подступиться к дыре не ближе  чем на полтора гравитационных радиуса. Но это движение фотона неустойчиво, и он может быть сбит с траектории в ту или другую сторону. Ясно, что  фотоны, как и тела, будут захвачены  черной дырой, если подойдут к ней  очень близко (ближе полутора гравитационных радиусов). Луч будет навиваться (как на клубок) на черную дыру, если его траектория проходила вплотную к полуторному радиусу. Если он проходил еще ближе к черной дыре, то он будет упираться в черную дыру. При удалении излучения от. черной дыры происходит его покраснение, при  приближении фотонов к дыре их частота (а значит, и энергия) увеличивается, и удаленный наблюдатель должен заметить поголубение света. Но для  этого фотоны должны подойти очень  близко к сфере Шварцщильда. Многочисленные теоретические исследования различных  аспектов проблемы черных дыр позволили  установить, что определяющей (и  пожалуй, даже единственной) характеристикой  черных дыр является их масса. В чем-то другом отличия в них нет. Можно  сказать, что черные дыры с одинаковой массой являются идентичными друг другу. Что касается формы черной дыры, то было показано, что они должны быть идеально сферическими. Любое  отклонение от сферичности черная дыра сбрасывает в виде излучения. Кстати, дыры сбрасывают также все возможные  поля, они оставляют себе только сферическое поле тяготения, а также  сферическое поле электрического заряда (в том случае, если звезда им до этого  обладала). Кроме массы (это главное!) и электрического заряда черные дыры, вообще-то, характеризуются и характером их вращения. Ведь вращение определенным образом изменяет гравитационное поле дыры. В результате вращения дыры вокруг нее образуется своего рода гравитационный вихрь. Это вихревое гравитационное поле целиком определяется моментом импульса тела (равным произведению трех параметров звезды: ее радиуса, массы  и скорости вращения на экваторе). Из-за вращения, создающего вихревой гравитационный вихрь, граница черной дыры несколько  расширяется, она выходит за пределы  сферы Шварцшильда. Сферу Шварцшильда  принято называть горизонтом (за ним  черная дыра, то есть уже ничего не видно). Если черная дыра вращается, то сила гравитации становится бесконечно большой еще до того, как будет достигнут горизонт. Эта граница была названа границей эргосферы. Ее принципиальное отличие от горизонта состоит в том, что из-под нее может вернуться обратно в космос попавшее туда тело. Тела в зоне между горизонтом и границей эргосферы закручиваются дырой во вращательное движение (если они не двигались первоначально супротив него), но могут с течением времени не только упасть в черную дыру, но и вылететь обратно за пределы эргосферы.

Таким образом, вращение черной дыры меняет всю картину принципиально. Границей черной дыры является ее горизонт, из-за которого ничто не возвращается. Ясно, что самая большая скорость вращения черной дыры может быть такой, при которой экваториальная линейная скорость равна скорости света.

Можно сказать, что черные дыры не представляют собой небесные тела в общепринятом смысле. Они  не являются и излучением. Это действительно  дыры во времени и пространстве, которые образуются в результате того, что в сильно увеличивающемся  гравитационном поле очень сильно искривляется пространство и изменяется характер течения времени.

Возникает естественный вопрос: как обнаружить черную дыру? Теоретики  предположили, как им казалось, много  таких возможностей, но на их проверку труд экспериментаторов был потерян  безрезультатно. На сегодняшний день реализовалась одна из этих возможностей. Суть ее состоит в том, что черную дыру следует искать в двойных  звездных системах. Она должна выдать себя по рентгеновскому излучению, которое  должно неизбежно возникать при  падении газа из атмосферы "нормальной" звезды. Этот газ должен закручиваться  за счет движения звезд по орбите и  одновременно сплющиваться в диск под  действием центробежных и гравитационных сил.

Экспериментаторы остановили свое внимание на такой двойной системе, расположенной в созвездии Лебедя. Этот источник назван Лебедь Х-1 (здесь X от названия рентгеновских, то есть Х-лучей). Двойная звездная система Лебедь Х-1 состоит из нормальной видимой  массивной звезды, масса которой  в 20 раз больше массы Солнца. Парная ей звезда имеет массу, равную десяти массам Солнца. Но она является отжившей. Именно из ее окрестностей исходит  рентгеновское излучение. Обе эти  звезды как единое целое обращаются вокруг центра масс с периодом 5, 6 суток. Процесс протекает так. Газ из атмосферы звезды-гиганта притягивается  черной дырой. Орбитальным движением  дыры его траектории закручиваются  вокруг нее. Траектория газа представляет собой сходящуюся к центру черной дыры спираль. Движение газа к центру дыры происходит намного медленнее, чем вокруг нее. Поэтому достижение газом черной дыры по такой неэкономичной  орбите происходит только через месяц. Достигнув края черной дыры, газ  сваливается в дыру, поскольку  там проявляется неустойчивость движения. Пока газ движется по направлению  к дыре, он сильно нагревается. Это  происходит в результате трения относительно холодных наружных слоев диска (температура  газа здесь всего несколько десятков тысяч градусов) с горячими внутренними  его частями, где температура  газа достигает десяти миллионов  градусов. Этот газ светит в рентгеновских  лучах очень интенсивно, в тысячи раз сильнее, чем Солнце (во всех диапазонах спектра). То рентгеновское  излучение, которое регистрируют приборы  на Земле, происходит из очень тонкого  слоя (200 километров), расположенного во внутренней части диска. Рентгеновское  излучение от источника Лебедь Х-1 изменяется очень быстро, но хаотически. Его интенсивность меняется за тысячные доли секунды. Это может происходить  только в том случае, если излучающий объект является очень малым, как  черная дыра. Если бы вместо звезды, которую  мы принимаем за черную дыру, была большая по размерам звезда, то такие быстрые изменения ее яркости в рентгеновских лучах были бы непонятны.

Таким образом, имеется почти  полная уверенность, что невидимая  звезда в созвездии Лебедь под  номером Х-1 является черной дырой. Но "почти" остается. Астрофизики  не торопятся с ним расставаться, поскольку вопрос слишком серьезный, чтобы можно было позволить себе ошибиться.

Открыто еще несколько  источников рентгеновского излучения, которые по своим свойствам подобны  описанному выше. А вообще-то, считается, что во Вселенной имеется много  миллионов черных дыр, а возможно, число их исчисляется даже миллиардами.

Теперь перейдем к вопросу  о том, в каких процессах могут  погибать черные дыры. Теоретически считают, что они могут исчезать в результате определенных квантовых процессов, которые возможны только в сильном  гравитационном поле. После того как  из данного объекта мы убрали абсолютно  все частицы и удалили любые  возможные кванты, можно считать, что там имеется физический вакуум. Физический вакуум отличается от пустоты  тем, что он имеет потенциальную  возможность рождать виртуальные  частицы и античастицы, которые  из этого объема убрать никакими средствами невозможно. Это значит, что пустоты  как таковой вообще нет. Чтобы  виртуальные частицы (эти призраки) могли превратиться в реальные частицы, им надо сообщить энергию (вдохнуть душу). Но эта энергия должна быть привнесена извне. Надо сказать, что виртуальные  частицы живут в замкнутом  цикле: на миг появляются частица  и античастица и тут же сливаются  и исчезают. В вакууме таких  частиц множество. Это установлено  прямыми измерениями. Энергию к  виртуальным частицам, необходимую  им для того, чтобы они превратились в настоящие частицы, может передать любое поле, в том числе электромагнитное. Но таким полем может быть и  гравитационное поле, что для нашего рассмотрения очень важно. Среди  виртуальных частиц имеются и  виртуальные фотоны, то есть частицы (кванты) электромагнитного поля. Сильное  гравитационное поле приводит к превращению  их в истинные, реальные фотоны. Точнее, изменение гравитационного поля во времени приводит к рождению фотонов, частота которых однозначно связана  с частотой колебаний (изменений) гравитационного  поля. Чтобы эффект был заметен, он должен протекать в сильном гравитационном поле. Попутно скажем, что электроны  и позитроны рождаются из физического  вакуума под действием очень  сильного электрического поля.

Из сказанного выше ясно, что в окрестности черных дыр, где имеются очень сильные  изменяющиеся во времени гравитационные поля, могут рождаться частицы  и античастицы. При этом может  оказаться, что частица остается под горизонтом (в пределах черной дыры), а античастица окажется снаружи  относительно горизонта. Эти частицы  окажутся разлученными навечно. Свободная  античастица уносит с собой часть  энергии черной дыры.

Установлено, что температура  черной дыры обратно пропорционально  зависит от ее размеров. Уходящие от черной дыры частицы уносят часть  ее энергии (а значит, и массы). Если этот процесс продолжается долго, то масса черной дыры уменьшается заметно. Значит, увеличивается ее температура, что, в свою очередь, ускорит процесс  испарения дыры. Так этот процесс  будет ускоряться. Температура при  этом может достигнуть 10" градусов. Это наступает тогда, когда масса  черной дыры уменьшится до тысячи тонн. Затем должен произойти взрыв, эквивалентный  взрыву одного миллиона ме-гатонных водородных бомб. Так может закончить свое существование черная дыра.

4.Внутри черной  дыры

Мы не можем наблюдать  внутренность черной дыры, находясь вне  ее. Хотя падающий в черную дыру астронавт  и может в принципе производить  наблюдения внутри нее, особенно если он выбрал для исследования сверхмассивную черную дыру, где в его распоряжении будет несколько часов и даже дней, прежде чем приливные силы приведут его к гибели, но он не может  передавать нам информацию, не используя (запрещенных!) сверхсветовых сигналов. И тем не менее мы убеждены, что  общая теория относительности в  состоянии правильно описать  все происходящее внутри чер ной  дыры, за исключением, может быть, самой  сингулярности'.

Для описания пространства-времени  мы использовали специальную диаграмму. Один из вариантов такой диаграммы  предложил профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз; с помощью  диаграммы Пенроуза на одном листе  бумаги можно изобразить и саму черную дыру, и всю остальную часть  Вселенной.

Любая карта предполагает некоторое искажение; например, в  известной проекции Меркатора, используемой при составлении карт Земли, только близкая к экватору область земного  шара изображается на карте довольно точно, но, чем дальше к полюсу, тем  сильнее искажения. Метод отображений, предложенный Пенроузом (называемый конформным отображением), позволяет получить картину пространства-времени шварцшильдовской черной дыры в таком виде, как  показано на рис. 33. Все внешнее по отношению к черной дыре пространство-время  изображено в правом секторе диаграммы, а линии, ограничивающие диаграмму  справа, соответствуют бесконечно удаленным  областям пространства-времени, протянувшимся  из бесконечного прошлого (нижняя линия) в бесконечное будущее (верхняя  линия). Горизонт событий изображают линии, наклоненные к вертикали (направление  времени) под углом 45°. В пространственно-временных  диаграммах, с которыми мы встречались  раньше, эти линии соответствовали  траекториям световых лучей. Мировые  линии более медленных частиц имеют наклон меньше 45° (т. е. эти  частицы движутся по временноподобным линиям). Поскольку луч света, направленный от горизонта событий наружу, остается все время на постоянном расстоянии от сингулярности, хотя падающий в черную дыру наблюдатель продолжает считать, что луч пролетает мимо него со скоростью света (стремится вверх, но остается на месте), то есть смысл  изобразить горизонт событий линиями, имеющими именно такой наклон. Сингулярность  изображается горизонтальной линией, ограничивающей диаграмму сверху; сингулярность  пространственноподобна.