Мыслящая Вселенная
Шрифт:
Рассмотрим подробнее, как меняется скорость течения времени по мере приближения к черной дыре. Мысленно расположим наблюдателей вдоль линии движения ракеты. Пусть ракета движется из вне к центру черной дыры. Более того, пусть на ракете будут отключены двигатели и она свободно падает к центру черной дыры. Назовем такое падение свободным. В процессе свободного падения ракета с выключенным двигателем будет проноситься вдоль расставленных нами наблюдателей. Скорость ракеты по мере приближения к черной дыре будет быстро увеличиваться. При падении к черной дыре с большого расстояния эта скорость равняется второй космической скорости. Когда падающее тело приближается к гравитационному радиусу, то скорость его падения стремится к световой. Темп течения времени на свободнопадающей ракете с ростом скорости уменьшается. Это уменьшение настолько значительное, что с точки зрения наблюдателя с любой неподвижной ракеты для
Таким образом, по часам, которые установлены на сжимающей-ся звезде, она за конечное время сжимается до размеров гравитационного радиуса. Эта звезда будет продолжать сжиматься дальше к еще меньшим размерам. Но далекий наблюдатель этих последних событий никогда не увидит.
Что касается черной дыры, то она не может вращаться как угодно быстро. Если звезда вращается очень быстро, то она не может сжаться до нужных размеров и превратиться в черную дыру. Как результат вращения возникает центробежная сила, которая препятствует сжатию. При этом тело может сжиматься только вдоль оси, соединяющей полюса. Но так черная дыра получиться не может. Установлено, что максимально возможным вращение черной дыры станет тогда, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.
Из всего описания черных дыр ясно, что на них должно падать вещество из межзвездного пространства. Это вещество, прежде чем упасть в дыру, вращается вокруг нее. При этом происходит излучение гравитационных волн. Если черная дыра вращается, то легче всего она будет захватывать частицы, которые вблизи нее летят в сторону, противоположную вращению. Частицы, которые летят в сторону вращения, будут захватываться значительно сложнее. Другими словами, вихревая компонента гравитационного поля вокруг черной дыры действует по принципу ускорения и отбрасывания частиц, которые движутся мимо черной дыры в ту же сторону, что и закручивающийся вихрь этого поля. Одновременно тормозятся и захватываются частицы, которые движутся против гравитационного вихря.
Гравитационные волны играют очень важную роль. Так, в случае обращения тела по круговой орбите вокруг максимально быстро вращающейся черной дыры в виде гравитационных волн может излучиться энергии в семь раз больше, чем при движении вокруг невращающейся черной дыры.
Излучение гравитационных волн следует из теории относительности Эйнштейна. Гравитационные волны подобны электромагнитным волнам, которые оторвались от своего источника и распространяются в пространстве с предельно большей скорость — скоростью света. Одновременно гравитационные волны являются изменяющимся гравитационным полем, которое оторвалось от своего источника. Это поле летит в пространстве со скоростью света.
Главный вопрос состоит в том, как измерить гравитационные волны, тем более что они очень слабые. Как измерять электромагнитные волны — известно. Для этого достаточно взять электрически заряженный шарик и наблюдать за ним. Когда на этот шарик будет падать электромагнитная волна, он начнет колебаться. Гравитационные волны так обнаружить нельзя. Но можно взять два шарика и расположить их на некотором расстоянии друг от друга. Если на эти шарики будет падать гравитационная волна, шарики будут то несколько сближаться, то удаляться. Затем, измерив расстояние между шариками, можно получить параметры гравитационной волны. Дело в том, что два шарика подвергаются воздействию гравитационного поля чуть-чуть по-разному. Между шариками возникает относительное движение. Это движение и надо измерять.
Гравитационные волны излучаются при движении массивных тел с ускорением. Но даже при движении небесных тел излучение гравитационных волн ничтожно. Так, когда планеты движутся в Солнечной системе, излучаются гравитационные волны с энергией, которая равна всего лишь энергии сотни электрических лампочек. Это слишком мало. Измерить такое слабое гравитационное излучение пока что не удалось.
О существовании гравитационных волн можно судить по некоторым космическим явлениям. Так, гравитационные волны должны излучаться при движении звезд в двойных звездных системах. При этом гравитационные волны должны уносить энергию. Правда, эта энергия очень мала. Чем больше масса движущихся небесных тел и чем меньше расстояние между ними, тем интенсивнее излучение. Поскольку в системе двойной звезды энергия теряется на излучение гравитационных волн, то звезды постепенно сближаются, и в результате этого уменьшается период их обращения вокруг центра масс. Этот процесс очень медленный.
При движении тела вокруг черной дыры излучаются гравитационные волны. Поскольку часть энергии уносится гравитационной волной, то радиус орбиты движущегося тела будет постепенно уменьшаться. Это уменьшение будет продолжаться до тех пор, пока радиус не уменьшится до трех гравитационных радиусов. При дальнейшем уменьшении расстояния движение тела становится неустойчивым.
Поскольку излучение гравитационных волн происходит очень долго, то общая излученная энергия достаточно большая, несмотря на то, что излучаемые волны несут мало энергии.
Что же произойдет с телом, когда оно попадет в черную дыру? Опишем этот процесс последовательно. При этом будем рассматривать не просто движущееся тело, а движущегося наблюдателя. Предположим, что наблюдатель находится на поверхности звезды, которая сжимается. В процессе сжатия размеры звезды уменьшаются до гравитационного радиуса и дальше продолжают сжиматься. За короткий промежуток времени (если следить за временем на поверхности звезды) эта звезда сожмется в точку, а плотность вещества станет бесконечной. Физики такое состояние называют сингулярным. При таком состоянии приливные гравитационные силы стремятся к бесконечности. Они обязательно разорвут данное тело. Именно это произойдет с телом, которое падает в черную дыру уже после сжатия звезды. Это тело также достигает состояния сингулярности. Если тело уже перешло гравитационный радиус, то оно неизбежно должно перейти в состояние сингулярности. Любое тело может просуществовать внутри черной дыры всего одну стотысячную долю секунды.
Что собой представляет сингулярность? Ученые считают, что в сингулярности пространство и время не только «искривляются» сильнейшим образом, но и утрачивают свой непрерывный характер. Оно распадается на отдельные неделимые более промежутки — кванты.
В заключение описания черных дыр, о которых мы знаем меньше, чем не знаем, приведем слова нобелевского лауреата физика С. Чандрасекхара: «Исследуя явления, связанные с горизонтами событий и невозможностью передавать через них информацию, я часто повторял про себя сказку о природе, которую слышал в Индии лет пятьдесят назад. Сказка эта называлась «Не потерялась, а просто исчезла» и повествовала о личинках стрекоз, живущих на дне пруда. Их постоянно мучила одна загадка: что происходит с ними, когда, став взрослыми, они поднимаются к поверхности пруда, проходят через нее и исчезают, чтобы больше никогда не вернуться? Каждая личинка, ставшая взрослой и готовящаяся подняться наверх, обязательно обещает вернуться и рассказать оставшимся внизу подругам о том, что же происходит наверху. Ведь только так удастся подтвердить или опровергнуть слухи, распространенные лягушкой: будто бы личинка, пересекающая поверхность пруда и оказавшаяся по другую сторону привычного мира, превращается в удивительное существо с длинным стройным телом и сверкающими крыльями. Но, выйдя из воды, личинка превращается в стрекозу, которая, увы, не может проникнуть под воду пруда, сколько бы она ни пыталась и как бы долго ни парила над его зеркальной поверхностью. И в летописи, которую ведут личинки, нет ни одной строки о личинке, которая возвратилась бы и рассказала, что же происходит с теми, которые пересекали границу их мира. И сказка оканчивается жалобой: «Неужели ни одна из нас, хотя бы из жалости к тем, кого мы бросили внизу, не вернется и не раскроет секрет?»
ГИГАНТСКИЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И КВАЗАРЫ
Черные дыры возникают в процессе чрезмерного сжатия нейтронных звезд. Но они могут возникать и другим путем. Так, ученые сейчас сходятся на том, что в центре галактики может возникнуть гигантская черная дыра. Она образуется следующим образом. Под действием сил тяготения межзвездный газ в галактике постепенно собирается в центральной области. Здесь он формирует огромное газовое облако. Дальше все просто: этот газ сжимается и образуется огромная черная дыра. Материалом для образования черных дыр может быть не только классический межзвездный газ. В центральных частях галактик находятся компактные звездные скопления, в состав которых входят миллионы звезд. Эти звезды могут разрушаться приливными силами, когда они проходят вблизи уже образовавшейся черной дыры. При разрушении звезд образуется вещество — газ, которое, в конце концов, падает на черную дыру. В этом случае протекают все те процессы, которые мы описали выше для дыр звездного происхождения. Только здесь все более масштабно. Фрагменты разрушенных звезд, которые проваливаются в черную дыру, несут с собой переменные магнитные поля. В этих полях ускоряются заряженные частицы и при этом излучают. Это излучение и есть излучение квазаров.