Kosmicheskie rubezhi teorii otnositel'nosti<< Titul'nyi dist | Oglavlenie | 9. Geometriya resheniya Shvarcshil'da >>
8. Chernye dyry
Eshe v 1795 g. velikii francuzskii matematik P'er-Simon Laplas teoreticheskim putem prishel k vyvodu, chto svet ne mozhet uiti ot tela, esli ono dostatochno massivno ili dostatochno sil'no szhato. Dazhe iz n'yutonovskoi teorii sleduet, chto esli skorost' ubeganiya dlya kakogo-libo ob'ekta prevyshaet velichinu skorosti sveta, to etot ob'ekt dlya vneshnego nablyudatelya budet kazat'sya absolyutno chernym. No na protyazhenii pochti dvuhsot let nikomu ne prihodilo v golovu, chto v prirode mogut deistvitel'no sushestvovat' chernye dyry. Odnako k seredine 1960-h godov astrofizikam udalos' rasschitat' podrobno strukturu zvezd i hod ih evolyucii. Teper', znaya bol'she, astronomy otchetlivo ponimayut,š chtoš nešš mozhetšš sushestvovat'š ustoichivyhšš mertvyh zvezd, massa kotoryh prevyshala by tri solnechnye massy. Poskol'ku vo Vselennoi zvezdy, obladayushie namnogo bol'shimi massami, - shiroko rasprostranennoe yavlenie, astrofiziki stali vser'ez obsuzhdat' vozmozhnost' sushestvovaniya chernyh dyr, rasseyannyh povsyudu vo Vselennoi.
Kak my uznali iz predydushei glavy, chernaya dyra - eto odin iz treh vozmozhnyh variantov konechnoi stadii evolyucii zvezd. Odnako v otlichie ot belyh karlikov i neitronnyh zvezd chernaya dyra - eto pustoe mesto. Eto to, chto ostaetsya posle katastroficheskogo gravitacionnogo kollapsa massivnoi zvezdy, kogda ona umiraet. Pri kollapse - katastroficheskom szhatii zvezdy - napryazhennost' sily tyagoteniya nad ee poverhnost'yu stanovitsya nastol'ko chudovishno bol'shoi, chto okruzhayushee zvezdu prostranstvo-vremya svertyvaetsya, i zvezda ischezaet iz Vselennoi; ostaetsya tol'ko isklyuchitel'no sil'no iskrivlennaya oblast' prostranstva-vremeni.
Issledovat' svoistva chernyh dyr luchshe vsego, izuchaya, kak dvizhutsya v etih sil'no iskrivlennyh oblastyah prostranstva-vremeni ob'ekty - malye tela (material'nye tochki) i luchi sveta. Rassmotrim, naprimer, chernuyu dyru, izobrazhennuyu na ris. 8.1. Predstavim sebe, chto na nee padayut luchi sveta. Tot luch, kotoryi prohodit ochen' daleko ot chernoi dyry, otklonyaetsya ot svoego obychnogo pryamolineinogo puti lish' sovsem nemnogo.
|
| Ris. 8.1. Kak idut svetovye luchi vblizi chernoi dyry? Luchi sveta otklonyayutsya moshnym gravitacionnym polem, okruzhayushim chernuyu dyru. Vdali ot dyry luchi iskrivlyayutsya slabo. Esli zhe luch prohodit sovsem ryadom s dyroi, ona mozhet zahvatit' ego na krugovuyu orbitu ili zasosat' v sebya sovsem. |
Vdaleke ot chernoi dyry prostranstvo-vremya pochti ploskoe, i tam svetovye luchi rasprostranyayutsya pryamolineino. Eto - vazhnyi fakt. Utverzhdeniya v nekotoryh nedavno opublikovannyh knizhkah, chto chernye dyry predstavlyayut ugrozu dlya nas, sovershenno neverny. Chernye dyry ne mogut stranstvovat' po Vselennoi, "zaglatyvaya" tam i syam planety, zvezdy i galaktiki. Vsego v neskol'kih tysyachah kilometrov ot chernyh dyr s massoi v 10-20 solnechnyh mass prostranstvo-vremya prakticheski ploskoe i relyativistskie effekty nesushestvenny. Esli odnazhdy noch'yu Solnce s pomosh'yu kakogo-libo volshebstva prevratitsya v chernuyu dyru, vy budete spokoino spat' v svoei posteli, ne zamechaya nichego neobychnogo, po krainei mere poka ne nastupit utro. Rassvet ne nastupit, no Zemlya budet prodolzhat' dvigat'sya po svoei orbite s radiusom 150 millionov kilometrov, kak ona eto delala vse predydushie pyat' milliardov let.
Vozvrashayas' k ris. 8.1, otmetim, chto luchi sveta, prohodyashie blizhe k chernoi dyre, otklonyayutsya na bolee znachitel'nye ugly. Kogda svet rasprostranyaetsya cherez oblast' prostranstva-vremeni s bol'shei kriviznoi, ego mirovaya liniya stanovitsya vse bolee iskrivlennoi. Mozhno dazhe napravit' luch sveta tochno v takom napravlenii otnositel'no chernoi dyry, chtoby etot svet okazalsya poiman na krugovuyu orbitu vokrug dyry. Eta sfera vokrug chernoi dyry inogda nazyvaetsya "fotonnoi sferoi" ili "fotonnoi okruzhnost'yu"; ona obrazovana svetom, obegayushim vokrug chernoi dyry po vsevozmozhnym krugovym orbitam. Kazhdaya zvezda vo Vselennoi posylaet hot' nemnogo sveta imenno na takoe rasstoyanie ot chernoi dyry, chto etot svet zahvatyvaetsya na fotonnuyu sferu.
Sleduet pomnit', chto eti krugovye orbity na fotonnoi sfere chrezvychaino neustoichivy. Chtoby ponyat' smysl etogo utverzhdeniya, predstavim sebe pochti krugovuyu orbitu Zemli vokrug Solnca. Orbita Zemli ustoichiva. Esli Zemlyu slegka tolknut' to ne sluchitsya nichego osobennogo. Odnako esli luch sveta hot' nemnogo otklonitsya ot svoego ideal'nogo krugovogo puti na fotonnoi sfere, to on ochen' bystro uidet po spirali libo vnutr' chernoi dyry, libo obratno v kosmicheskoe prostranstvo. Samoe nichtozhnoe vozmushenie, kuda by ono ni bylo napravleno -vnutr' ili naruzhu, uvodit svet s fotonnoi sfery. Imenno v etom smysle govoryat o neustoichivosti vseh krugovyh orbit na fotonnoi sfere.
Nakonec, te luchi sveta, kotorye naceleny pochti pryamo na chernuyu dyru, "vsasyvayutsya" v nee. Takie luchi navsegda uhodyat iz vneshnego mira - chernaya dyra ih bukval'no pogloshaet.
Predstavlennyi zdes' scenarii opisyvaet povedenie samogo prostogo iz vozmozhnyh tipov chernyh dyr. V 1916 g., vsego cherez neskol'ko mesyacev posle togo kak Einshtein opublikoval svoi uravneniya gravitacionnogo polya, nemeckii astronom Karl Shvarcshil'd nashel ih tochnoe reshenie, kotoroe, kak okazalos' vposledstvii, opisyvaet geometriyu prostranstva-vremeni vblizi ideal'noi chernoi dyry. Eto reshenie Shvarcshil'da opisyvaet sfericheski simmetrichnuyu chernuyu dyru, harakterizuyushuyusya tol'ko massoi. Porodivshaya etu chernuyu dyru gipoteticheskaya umirayushaya zvezda dolzhna ne vrashat'sya i byt' lishennoi kak elektricheskogo zaryada, tak i magnitnogo polya. Veshestvo takoi umirayushei zvezdy padaet po radiusu "vniz" k centru zvezdy, i govoryat, chto poluchivshayasya chernaya dyra obladaet sfericheskoi simmetriei. Esli by chernaya dyra voznikala pri kollapse vrashayusheisya zvezdy, to u nee bylo by nekoe "privilegirovannoe" napravlenie, a imenno dyra obladala by os'yu vrasheniya. Reshenie Shvarcshil'da svobodno ot podobnyh uslozhnenii. Takaya shvarcshil'dovskaya chernaya dyra predstavlyaet soboyu samyi prostoi iz vseh vozmozhnyh tip chernoi dyry. V etoi i v sleduyushei glave my ogranichimsya rassmotreniem lish' etogo prostogo sluchaya. Posleduyushie glavy budut posvyasheny elektricheski zaryazhennym i vrashayushimsya chernym dyram.
Ponyat' prirodu shvarcshil'dovskoi chernoi dyry mozhno, rassmatrivaya massivnuyu (no ne vrashayushuyusya i ne imeyushuyu zaryada) umirayushuyu zvezdu v processe gravitacionnogo kollapsa. Pust' nekto stoit na poverhnosti takoi umirayushei zvezdy, u kotoroi tol'ko chto issyaklo yadernoe toplivo (ris. 8.2). Neposredstvenno pered nachalom kollapsa nash nablyudatel' beret moshnyi prozhektor i napravlyaet ego luchi v raznye storony. Tak kak veshestvo zvezdy poka raspredeleno v dostatochno bol'shom ob'eme prostranstva, gravitacionnoe pole u poverhnosti zvezdy ostaetsya dovol'no slabym. Poetomu luch prozhektora rasprostranyaetsya pryamolineino ili pochti pryamolineino. Odnako posle nachala kollapsa veshestvo zvezdy szhimaetsya vo vse men'shem i men'shem ob'eme. Po mere umen'sheniya razmerov zvezdy tyagotenie u ee poverhnosti vozrastaet vse bol'she i bol'she. Uvelichenie krivizny prostranstva-vremeni privodit k otkloneniyu svetovogo lucha ot prezhnego pryamolineinogo rasprostraneniya. Snachala luchi, ishodyashie iz prozhektora pod malym uglom k gorizontu, otklonyayutsya vniz k poverhnosti zvezdy (sm. ris. 8.2,6). No v dal'neishem, po mere razvitiya kollapsa, nashemu issledovatelyu prihoditsya napravlyat' luchi vverh vse blizhe k vertikali, chtoby oni mogli navsegda uiti ot zvezdy. V konce koncov na nekotoroi kriticheskoi stadii kollapsa issledovatel' obnaruzhit, chto uzhe nikakoi luch ne v sostoyanii uiti ot zvezdy. Kak by nash issledovatel' ni napravlyal svoi prozhektor, ego luch vse ravno izmenyaet svoe napravlenie tak, chto snova padaet vniz, na zvezdu. Togda govoryat, chto zvezda proshla svoi gorizont sobytii. Nichto, ochutivsheesya za gorizontom sobytii, ne mozhet vyiti naruzhu, dazhe svet. Issledovatel' vklyuchaet svoi radioperedatchik i obnaruzhivaet, chto on nichego ne mozhet peredat' ostavshimsya snaruzhi, poskol'ku radiovolny ne sposobny vyrvat'sya za gorizont sobytii. Nash issledovatel' bukval'no ischezaet iz vneshnei Vselennoi.
|
| Ris. 8.2 Kak idut svetovye luchi ot kollapsiruyushei zvezdy? Obrechennyi na gibel' kosmonavt posylaet luchi sveta s poverhnosti umirayushei zvezdy. Do nachala kollapsa (a) gravitacionnoe pole bylo sravnitel'no slabym, i traektorii svetovyh luchei okazyvalis' pochti pryamymi. Na pozdnei stadii kollapsa (g) prostranstvo-vremya okolo zvezdy sil'neishim obrazom iskrivleno, i svetovye luchi otklonyayutsya ochen' zametno. |
|
| Ris. 8.3. Shvarcshil'dovskaya chernaya dyra. Prosteishaya ideal'naya chernaya dyra (nezaryazhennaya i nevrashayushayasya) okruzhena fotonnoi sferoi. Sfericheskii gorizont sobytii predstavlyaet soboyu "poverhnost'" chernoi dyry. V centre dyry nahoditsya singulyarnost'. |
Znaya reshenie Shvarcshil'da, mozhno rasschitat' polozhenie gorizonta sobytii, okruzhayushego chernuyu dyru. Naprimer, poperechnik sfery gorizonta sobytii chernoi dyry s massoi, ravnoi 10 solnechnym massam, sostavlyaet okolo 60 km. Kak tol'ko umirayushaya zvezda s massoi v 10 solnechnyh mass sozhmetsya do poperechnika v 60 km, prostranstvo-vremya stol' sil'no iskrivitsya, chto vokrug zvezdy vozniknet gorizont sobytii. V rezul'tate zvezda ischeznet.
V moment, kogda umirayushaya zvezda uidet za svoi gorizont sobytii, ee razmery eshe dovol'no veliki, no nikakie fizicheskie sily uzhe ne smogut ostanovit' ee dal'neishee szhatie. I zvezda v celom prodolzhaet szhimat'sya, poka, nakonec, ne prekratit svoe sushestvovanie v tochke v centre chernoi dyry. V etoi tochke beskonechno davlenie, beskonechna plotnost' i beskonechna krivizna prostranstva-vremeni. Eto "mesto" v prostranstve-vremeni imenuetsya singulyarnost'yu.
Dannye o strukture shvarcshil'dovskoi chernoi dyry podytozheny na ris. 8.3. Prezhde vsego chernuyu dyru okruzhaet fotonnaya sfera, sostoyashaya iz luchei sveta, dvizhushihsya po neustoichivym krugovym orbitam. Vnutri fotonnoi sfery nahoditsya gorizont sobytii - odnostoronne propuskayushaya poverhnost' v prostranstve-vremeni, iz kotoroi nichto ne mozhet vyrvat'sya. Nakonec, v centre chernoi dyry nahoditsya singulyarnost'. Vse to, chto provalivaetsya skvoz' gorizont sobytii, zasasyvaetsya v singulyarnost', gde ono pod deistviem beskonechno sil'no iskrivlennogo prostranstva-vremeni prekrashaet svoe sushestvovanie. Na ris. 8.4 i 8.5 pokazany sootvetstvenno zavisimosti mezhdu massoi chernoi dyry i poperechnikami ee fotonnoi sfery i gorizonta sobytii.
|
| Ris. 8.6. Konus vyhoda. S pomosh'yu etogo voobrazhaemogo konusa udobno razdelyat' svetovye luchi na sposobnye pokinut' zvezdu i na te luchi, kotorye ona ot sebya ne otpuskaet. Uiti v okruzhayushuyu Vselennuyu udaetsya tol'ko tem lucham, kotorye ispusheny s poverhnosti zvezdy pod uglami, zaklyuchennymi vo vnutrennei chasti konusa vyhoda. |
Posle togo kak umirayushaya zvezda zahodit za svoyu fotonnuyu sferu i priblizhaetsya k gorizontu sobytii, ot nee v okruzhayushuyu Vselennuyu mozhet vyrvat'sya vse men'she i men'she svetovyh luchei. Illyustrirovannye na ris. 8.2 effekty stanovyatsya vse bolee zametnymi. Podobnyi zahvat luchei sveta kollapsiruyushei zvezdoi mozhno opisat' s pomosh'yu voobrazhaemogo konusa, pokazannogo na ris. 8.6 i nazyvaemogo konusom vyhoda. Navsegda uiti ot zvezdy mogut tol'ko te luchi, kotorye pokidayut ee v predelah konusa vyhoda. Luchi zhe, idushie ot poverhnosti zvezdy vne konusa vyhoda, otklonyayutsya nazad, k ee poverhnosti. Po mere priblizheniya katastroficheskogo kollapsa massivnoi zvezdy k ego neizbezhnomu koncu, lucham sveta s poverhnosti zvezdyšš stanovitsyašš vsešš trudneešš išš trudneešš uitiš navsegdašš ot zvezdy. Eti uhodyashie vovne luchi dolzhny byt' ispusheny vnutri vse bolee suzhayushegosya konusa s os'yu, napravlennoi vdol' vertikali. Inymi slovami, po mere togo kak zvezda podhodit k svoemu gorizontu sobytii, konus vyhoda shlopyvaetsya. Neposredstvenno nad granicei fotonnoi sfery konus vyhoda shiroko raskryt. Ot zvezdy mogut uiti luchi sveta, ispushennye pod lyubymi uglami. No kogda zvezda podhodit k svoemu gorizontu sobytii, konus vyhoda stanovitsya nastol'ko uzkim, chto vse luchi svetašš všš koncešš koncov ššzavorachivayutsyašš nazad,šš kšš poverhnosti zvezdy. Povedenie konusa vyhoda daet pervoe vazhnoe ukazanie na to, kak dolzhna vyglyadet' zvezda, prevrashayushayasya v chernuyu dyru. Po mere shlopyvaniya konusa vyhoda ot zvezdy uhodit vse men'she i men'she sveta. Poetomu astronom, nablyudayushii podobnuyu zvezdu izdaleka, vidit ee vse bolee i bolee slaboi. Fakticheski takoe ubyvanie yarkosti umirayushei zvezdy proishodit ochen' bystro. Rassmotrim, naprimer, obrazovanie chernoi dyry iz zvezdy s massoi v 10 solnechnyh mass. Kak pokazano na ris. 8.7, s priblizheniem poverhnosti zvezdy k gorizontu sobytii ee yarkost' ubyvaet s neveroyatnoi bystrotoi. Spustya vsego 1/1000 s posle nachala gravitacionnogo kollapsa konus vyhoda stanovitsya nastol'ko uzkim, chto lish' odna kvadril'onnaya (10-15!) sveta zvezdy mozhet uskol'znut' vo vneshnyuyu Vselennuyu. Vsego mig - i byvshaya yarkaya zvezda stanovitsya pochti sovershenno chernoi!
|
| Ris. 8.7. Svetimost' kollapsiruyushei zvezdy. Srazu posle nachala konechnogo etapa kollapsa zvezda stanovitsya chrezvychaino slaboi za ochen' korotkii promezhutok vremeni. Grafik postroen dlya zvezdy s massoi 10 solnechnyh. Vsego cherez 1/1000 s svetimost' zvezdy padaet do 2% pervonachal'noi, a spustya 1/100 s ona sostavlyaet menee odnoi kvadril'onnoi (10-15) pervonachal'noi. |
Zamedlenie hoda vremeni, kotoroe pochti nevozmozhno zametit' v slabom gravitacionnom pole Zemli, stanovitsya v processe obrazovaniya chernoi dyry faktorom fundamental'noi vazhnosti. Ved' na samom gorizonte sobytii techenie vremeni polnost'yu ostanavlivaetsya (ris. 8.8). Pri ob'yasnenii etogo utverzhdeniya nuzhno byt' ochen' ostorozhnym. Proillyustriruem situaciyu, voobraziv, chto my brosili v chernuyu dyru kamen'. Dopustim, vy vypustili etot kamen' iz ruk, nahodyas' ochen' daleko ot chernoi dyry, gde prostranstvo-vremya pochti ploskoe. Nablyudaya dvizhenie kamnya, my uvidim, chto po mere priblizheniya k chernoi dyre on padaet vse bystree i bystree. Esli by byla verna n'yutonovskaya teoriya, to nash kamen' prodolzhal by uvelichivat' skorost', i v tot moment, kogda on vrezalsya by v singulyarnost', on dvigalsya by prakticheski s beskonechnoi skorost'yu. No v stol' sil'nyh gravitacionnyh polyah n'yutonovskaya teoriya ne mozhet davat' pravil'nyh otvetov. Okazyvaetsya, kogda kamen' podletaet k gorizontu sobytii, nachinaet preobladat' deistvie zamedleniya vremeni. Vy obnaruzhite, k svoemu udivleniyu, chto kamen' nachinaet padat' vse medlennee i sovsem ostanavlivaetsya na gorizonte sobytii, potomu chto na etom gorizonte dlya vneshnego nablyudatelya perestaet tech' vremya. Ostavayas' vdaleke ot chernoi dyry, my dolzhny prozhdat' beskonechno dolgii promezhutok vremeni, chtoby uvidet', kak kamen' peresechet gorizont sobytii.
|
| Ris. 8.8. Skorost' tela pri svobodnom padenii. Udalennyi nablyudatel' vidit, chto svobodnoe padenie tela na chernuyu dyru zamedlyaetsya po mere togo, kak ono priblizhaetsya k gorizontu sobytii. Kazhetsya, chto na gorizonte sobytii telo "zastyvaet", ibo tam ostanavlivaetsya techenie vremeni. |
v odnoi i toi zhe proporcii, vklyuchaya ego pul's, ego processy myshleniya i temp, v kotorom on stareet. Soglasno utverzhdeniyu udalennogo nablyudatelya, kosmonavt, padayushii na chernuyu dyru, nikogda ne dostignet gorizonta sobytii; on ostanetsya zhivym navsegda v preddverii vstupleniya v chernuyu dyru v sostoyanii zamedlennoi zhiznedeyatel'nosti, i emu potrebuyutsya mnogie milliardy let, chtoby preodolet' te neskol'ko santimetrov, kotorye otdelyayut ego ot gorizonta sobytii. Odnako, soglasno dannym padayushego nablyudatelya, ego chasy otschityvayut vremya v svoem obychnom tempe. Poetomu on proskakivaet za gorizont sobytii spustya ves'ma kratkii srok, esli sudit' po ego chasam. Odnako srazu posle prohozhdeniya cherez gorizont sobytii on obnaruzhivaet nechto neladnoe. Podobno tomu kak na gorizonte sobytii ostanovilos' vremya dlya vneshnego nablyudatelya, vnutri gorizonta ono menyaetsya rolyami s prostranstvom. Vdali ot chernoi dyry, skazhem u nas na Zemle, chelovek sposoben peremeshat'sya v treh prostranstvennyh izmereniyah (vverh i vniz, nalevo i napravo, vpered i nazad). Odnako vo vremennom izmerenii my bessil'ny "hodit'" tuda i obratno. My bezostanovochno idem vpered vo vremeni - ot nashego rozhdeniya k starosti i k smerti, hotim my etogo ili net. Vnutri zhe gorizonta sobytii roli prostranstva i vremeni menyayutsya. Zlo-chastnyi kosmonavt, popavshii pod gorizont sobytii, nachinaet bezostanovochno uvlekat'sya vpered v prostranstve navstrechu singulyarnosti! On bessilen izbezhat' rokovogo stolknoveniya s singulyarnost'yu. Na ris. 8.9 pokazano, skol'ko vremeni mozhet, samoe bol'shee, proiti po chasam kosmonavta mezhdu momentami peresecheniya gorizonta i prihoda v singulyarnost'. Chto by on ni predprinimal, dazhe imeya v svoem rasporyazhenii naimoshneishie raketnye dvigateli, on dolzhen popast' v singulyarnost' spustya promezhutok vremeni, ne men'shii, chem ukazano na etom grafike. Naprimer, proidya pod gorizont chernoi dyry s massoi 6,5 solnechnoi massy, kosmonavt dolzhen dostignut' singulyarnosti menee chem za 1/1000 s.
Chtoby izbezhat' putanicy, svyazannoi s izmereniem vremeni, fiziki vvodyat dva tipa vremeni. Koordinatnoe vremya - eto to vremya, kotoroe izmeryaet nablyudatel', nahodyashiisya daleko ot chernoi dyry (t.e. v ploskom prostranstve-vremeni). Sobstvennoe vremya - eto to vremya, kotoroe izmeryaet po svoim chasam svobodno padayushii nablyudatel'. Vremena eti raznye. V koordinatnom vremeni kamnyu, broshennomu v chernuyu dyru, nuzhno letet' milliony millionov let, chtoby priblizit'sya k gorizontu sobytii. V sobstvennom zhe vremeni, po chasam, privyazannym k padayushemu kamnyu, poslednii uzhe cherez korotkii promezhutok vremeni peresechet etot gorizont. Na ris. 8.10 sopostavleny promezhutki koordinatnogo i sobstvennogo vremen, v techenie kotoryh telo padaet na chernuyu dyru s massoi 10 solnechnyh mass s nachal'nogo rasstoyaniya 90 km.
|
|
Chto kasaetsya cheloveka, padayushego na chernuyu dyru, to sleduet udelit' vnimanie i drugim lyubopytnym effektam. Predpolozhim, chto vy padaete vniz nogami k chernoi dyre. Vashe padenie vse vremya svobodnoe, tak chto vy nahodites' v sostoyanii nevesomosti. Odnako pri sblizhenii s chernoi dyroi vy nachnete oshushat' nechto neobychnoe, poskol'ku vashi nogi okazyvayutsya blizhe k chernoi dyre, chem vasha golova. Delo v tom, chto vashi nogi budut padat' bystree, chem golova. V rezul'tate vas stanet vytyagivat' v dlinnuyu tonkuyu nit'. K momentu peresecheniya gorizonta vasha dlina mozhet dostich' sotni kilometrov. Kak vidite, padenie na chernuyu dyru-zanyatie ne iz priyatnyh. I v samom dele, eshe zadolgo do togo, kak vy priblizites' k fotonnoi sfere, vashe telo budet razorvano prilivnymi silami neveroyatnoi moshi. Obshaya kartina predstavlena na ris. 8.11.
|
| Ris. 8.11. Prilivnye sily.š Pri padenii naš chernuyuš dyruš nablyudatel' rastyagivaetsya i razryvaetsya na chasti ogromnymi prilivnymi silami. |
|
| Ris. 8.12. Obrazovanie chernoi dyry. Posle togo kak v oblasti s poperechnikom men'she 2 shvarcshil'dovskih radiusov soberetsya dostatochnoe kolichestvo veshestva, vokrug poslednego voznikaet gorizont sobytii. Zatem zahvachennoe veshestvo bystro padaet na singulyarnost' v centre chernoi dyry. |
Razobrat'sya v strukture chernyh dyr udobnee vsego, predstaviv sebe voobrazhaemoe puteshestvie na kosmicheskom korable, oborudovannom bol'shimi smotrovymi illyuminatorami. V ryade sleduyushih glav my ispol'zuem takuyu "tehniku" i smozhem uznat', chto uvideli by besstrashnye astronomy, esli by oni deistvitel'no otpravilis' v puteshestvie k razlichnym tipam chernyh dyr, v sami eti dyry i dazhe skvoz' nih.
Voobrazimššš sebeššš kosmicheskiiššš korabl',ššš pokazannyiššš na ris. 8.13. On snabzhen dvumya bol'shimi illyuminatorami. Nosovoi illyuminator smotrit pryamo v centr chernoi dyry, a kormovoi - v protivopolozhnom napravlenii, pozvolyaya obozrevat' okruzhayushuyu Vselennuyu. Iz kazhdogo illyuminatora vidna v tochnosti polovina vsego neba. Krome togo, nash kosmicheskii korabl' obladaet ochen' moshnymi raketnymi dvigatelyami, pozvolyayushimi emu uderzhivat'sya na raznyh vysotah nad gorizontom sobytii. Na bortu korablya nahodyatsya dva astronoma, kotorye fotografiruyut s razlichnyh rasstoyanii ot chernoi dyry vse, chto im vidno iz illyuminatorov.
|
| Ris. 8.13. Kosmicheskii korabl'. Dva lyuboznatel'nyh astronoma reshili vyyasnit', kak zhe v deistvitel'nosti vyglyadit chernaya dyra. Dlya etogo oni postroili kosmicheskii korabl', snabzhennyi dvumya illyuminatorami. Nosovoi illyuminator obrashen pryamo na seredinu chernoi dyry, a kormovoi napravlen vo vneshnyuyu Vselennuyu. Iz kazhdogo illyuminatora vidna v tochnosti polovina nebesnoi sfery. Korabl' oborudovan takzhe moshnymi reaktivnymi dvigatelyami, s pomosh'yu kotoryh kosmonavty mogut zavisat' nad chernoi dyroi na raznyh vysotah. |
Dlya udobstva nashi kosmicheskie astronomy vyrazhayut svoe rasstoyanie ot chernoi dyry v shvarcshil'dovskih radiusah, a ne milyah ili kilometrah. Vspomnim, chto shvarcshil'dovskii radius - eto radius gorizonta sobytii. Chem massivnee chernaya dyra, tem bol'she ee shvarcshil'dovskii radius. V tabl. 8.1 privedeny znacheniya shvarcshil'dovskogo radiusa chernyh dyr, obladayushih raznymi massami.
Eta tablica tesno svyazana s ris. 8.5. Poperechnik gorizonta sobytii chernoi dyry - eto v tochnosti udvoennaya velichina ee shvarcshil'dovskogo radiusa. Dalee, raz poperechnik gorizonta sobytii raven udvoennomu shvarcshil'dovskomu radiusu, to poperechnik fotonnoi sfery - eto utroennyi shvarcshil'dovskii radius.
|
Tablica 8.1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Shvarcshil'dovskie radiusy chernyh dyr,
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Puteshestvie dvuh astronomov na nashem voobrazhaemom kosmicheskom korable nachinaetsya s togo, chto etomu unikal'nomu korablyu predostavlyaetsya vozmozhnost' prosto padat' na chernuyu dyru vdol' ee radiusa. Na raznyh etapah sblizheniya s dyroi kosmonavty vklyuchayut moshnye raketnye dvigateli, kotorye mgnovenno ostanavlivayut padenie korablya. V eti momenty pokoya astronomy delayut dva snimka - odin iz nosovogo illyuminatora (vid v storonu chernoi dyry), a drugoi - iz kormovogo (vid nazad na Vselennuyu). Korabl' ostanavlivalsya pyat' raz, i vsyakii raz delalas' para fotografii:
| Snimok | Rasstoyanie ot chernoi dyry | |
| Foto A: | Rasstoyanie veliko (mnogo shvarcshil'dovskih radiusov) | |
| Foto B: | 5 shvarcshil'dovskih radiusov | |
| Foto V: | 2 shvarcshil'dovskih radiusa | |
| Foto G: | Na fotonnoi sfere (1.5 shvarcshil'dovskogo radiusa) | Pryamo nad gorizontom sobytii (chut' bol'she 1 shvarcshil'dovskogo radiusa) |
Na ris. 8.14 pokazano, gde byl kosmicheskii korabl' otnositel'no chernoi dyry v momenty polucheniya snimkov.
|
| Ris. 8.14. Priblizhenie kosmicheskogo korablya k chernoi dyre. Pyat' par fotografii shvarcshil'dovskoi chernoi dyry snyaty iz ukazannyh na risunke tochek. |
Na ochen' bol'shih rasstoyaniyah ot chernoi dyry sama dyra vyglyadela kak malen'koe pyatno sveta v seredine nosovogo illyuminatora (ris. 8.15,A). Okruzhayushee nebo ostavalos' prakticheski neiskazhennym, za odnim vazhnym isklyucheniem. Vse zvezdy vo Vselennoi posylayut hot' nemnogo sveta v okrestnosti fotonnoi sfery. Etot svet kruzhit vokrug chernoi dyry raz-drugoi ili bol'she, a zatem ego traektoriya raskruchivaetsya spiral'yu navstrechu kosmicheskomu korablyu. Poetomu astronom, provodyashii nablyudeniya cherez nosovoi illyuminator, vidit mnogokratnye izobrazheniya vseh zvezd Vselennoi, obramlyayushie vidimyi "krai" chernoi dyry. (Chtoby ris. 8.15,A-D ne poluchilis' peregruzhennymi, vse eti mnogokratnye izobrazheniya opusheny.) Takim obrazom, vid neba okolo chernoi dyry budet ves'ma slozhnym i iskazhennym.
|
Ris. 8.15.
Foto A: (vid izdaleka ot
chernoi dyry). Rasstoyanie ot chernoi dyry ravno mnogim shvarcshil'dovskim
radiusam. Chernaya dyra vyglyadit otsyuda kak malen'koe chernoe pyatnyshko v centre
polya zreniya nosovogo illyuminatora.
|
V 1975 g. Kenningem iz Kaliforniiskogo tehnologicheskogo instituta (SShA) provel ryad raschetov, kotorye pomogli vyyasnit', kak vyglyadit chernaya dyra, esli glyadet' na nee s raznyh rasstoyanii. Ris. 8.15,B pokazyvaet (na osnovanii etih vychislenii), chto budet vidno s rasstoyaniya v 5 shvarcshil'dovskih radiusov. Tak kak kosmicheskii korabl' v etom sluchae nahoditsya vblizi chernoi dyry, ona predstavlyaetsya bol'shei, chem na ris. 8.15,A. Na rasstoyanii v 5 shvarcshil'dovskih radiusov (chto sootvetstvuet rasstoyaniyu 150 km, esli chernaya dyra imeet massu v 10 solnechnyh mass) uglovoi poperechnik dyry raven primerno 56œ. Vid zhe iz kormovogo illyuminatora ostaetsya prakticheski neiskazhennym.
S rasstoyaniya v 2 shvarcshil'dovskih radiusa (60 km ot chernoi dyry v 10 raz bolee massivnoi, chem Solnce) chernaya dyra - osnovnoi ob'ekt v nebe pered kosmicheskim korablem. Ee uglovoi poperechnik vyros uzhe do 136œ (ris. 8.15,V). Vse vidimoe vokrug nee iz nosovogo illyuminatora nebo chrezvychaino sil'no iskazheno i zapolneno mnogokratnymi izobrazheniyami ogromnogo kolichestva zvezd i galaktik. Dazhe iz kormovogo illyuminatora nebo nablyudaetsya uzhe sil'no iskazhennym.
S "vysoty" fotonnoi sfery (45 km ot chernoi dyry v 10 raz massivnei Solnca) izobrazhenie chernoi dyry zanimaet vse pole zreniya nosovogo illyuminatora kosmicheskogo korablya, kak vidno na ris. 8.15,G. Po krayam polya zreniya kormovogo illyuminatora teper' vidny beschislennye mnogokratnye izobrazheniya.
Po mere dal'neishego priblizheniya kosmicheskogo korablya k gorizontu sobytii chernaya dyra nachinaet prosmatrivat'sya po krayam polya zreniya kormovogo illyuminatora. Vsya vneshnyaya Vselennaya vidna teper' kak malen'kii kruzhok v centre kormovogo illyuminatora (ris. 8.15,D). Razmery etogo kruzhka opredelyayutsya uglom rastvora konusa vyhoda, o kotorom my upominali vyshe. Na samom gorizonte sobytii (eto primerno v 30 km ot centra chernoi dyry v 10 raz bolee massivnoi, chem Solnce), gde konus shlopyvaetsya, vse zvezdy neba sobirayutsya v odnoi tochke v centre polya zreniya kormovogo illyuminatora.
Vspomnim, chto nash kosmicheskii korabl' snabzhen moshnymi raketnymi dvigatelyami, sposobnymi ostanovit' ego padenie na raznyh rasstoyaniyah ot chernoi dyry, tak chto astronomy mogut ne spesha vesti svoi nablyudeniya. Odnako gravitacionnoe pole chernoi dyry nastol'ko moshnoe, chto uzhe na rasstoyanii neskol'kih shvarcshil'dovskih radiusov dvigateli rakety dolzhny rabotat' na polnuyu moshnost'. Eshe zadolgo do togo, kak astronomy doberutsya do tochki, iz kotoroi oni smogli by sdelat' snimok B, im pridetsya ispytat' deistvie uskoreniya, sostavlyayushego tysyachi g, kotoroe bukval'no rasplyushit ih o pereborki korablya.
Chtoby izbezhat' podobnoi uchasti, drugie dva astronoma prinimayut reshenie sovershit' svobodnoe padenie na chernuyu dyru do konca. Ih kosmicheskii korabl' noveishei konstrukcii voobshe lishen raketnyh dvigatelei, kotorye zamedlyali by ego padenie. Bolee togo, chtoby izbezhat' razryvayushego deistviya prilivnyh sil, proizvedena mikrominiatyurizaciya kak kosmicheskogo korablya, tak i samih kosmonavtov. Tem ne menee oni ponimayut, chto i takaya ekspediciya ravnosil'na samoubiistvu, ibo, popav pod gorizont sobytii, oni budut obrecheny upast' na singulyarnost'. Eti novye dva astronoma vidyat iz illyuminatorov svoego obrechennogo na gibel' kosmicheskogo korablya sovershenno inuyu kartinu. Odnako, chtoby ponyat' smysl etoi kartiny, nam pridetsya snachala rassmotret' vopros o prirode shvarcshil'dovskoi geometrii.
<< Titul'nyi dist | Oglavlenie | 9. Geometriya resheniya Shvarcshil'da >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
chernye dyry - gravitaciya - Obshaya teoriya otnositel'nosti - reshenie Shvarcshil'da - reshenie Kerra - belaya dyra - singulyarnost'
Publikacii so slovami: chernye dyry - gravitaciya - Obshaya teoriya otnositel'nosti - reshenie Shvarcshil'da - reshenie Kerra - belaya dyra - singulyarnost' | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
