Мыслящая Вселенная - Мизун Юрий Гаврилович - Страница 36

Все сказанное выше относится к тому случаю, когда массивное тело (черная дыра) не вращается. Если же учесть вращение черной дыры, то описанная выше картина существенно изменится. Кстати, это следует только из теории Эйнштейна. Теория Ньютона этой разницы не замечает. Для нее важно только одно — масса тела, а вращается оно или нет — ей безразлично.

Что же изменяется в том случае, если черная дыра вращается? Вокруг любого тела при вращении возникает (создается вращением) так называемый гравитационный вихрь, добавочное вихревое гравитационное поле. Это поле увлекает за собой все тела, находящиеся в окрестности черной дыры, в круговое движение.

Несколько упрощенно можно представить себе, что слои пространства вокруг вращающегося массивного тела медленно вращаются вокруг этого вращающегося тела. Но это вращение пространства весьма своеобразно: угловая скорость вращения тем больше, чем ближе к вращающемуся телу. Если тело имеет обычную массу (как любая звезда), то этот эффект практически незаметен. Он проявляется у таких массивных тел, как черная дыра.

Описанный гравитационный вихрь можно реально замерить. Для этого можно использовать гироскоп, такой же, какой используют для ориентации космических кораблей. Вблизи вращающегося тела гироскоп медленно поворачивается. Угол поворота зависит от массы вращающегося тела. Так, для крохотной Земли за счет ее вращения гироскоп поворачивается примерно на десятую долю угловой секунды в год. Это, конечно, ничтожно мало. Но вокруг вращающейся черной дыры вращение гироскопа должно быть быстрым. Черная дыра образуется из нейтронной звезды, которая сжимается. Нейтронные звезды могут вращаться со скоростью в несколько десятков и более оборотов в секунду. Вблизи такой быстро вращающейся звезды гироскоп также будет вращаться очень быстро. Его угловая скорость вращения будет только в несколько раз меньше скорости вращения звезды. Другими словами, вблизи нейтронной звезды гироскоп будет совершать много оборотов в секунду.

Вращающаяся нейтронная звезда при максимальном сжатии (после коллапса) превращается во вращающуюся черную дыру. При этом гравитационный вихрь никуда не девается — он есть и у черной дыры. От чего зависит мощность этого вихря? Вихревое поле тяготения звезды определяется моментом импульса тела. Это произведение скорости вращения звезды, массы звезды и ее радиуса. Значит, гравитационный вихрь тем мощнее, чем больше масса звезды и ее радиус и чем быстрее она вращается.

Как скажется наличие гравитационного вихря на движении тел в окрестности черной дыры? Если бы черная дыра не вращалась, то ее граница представляла бы собой гравитационную сферу (сферу Шварцшильда). Все, что попадает внутрь этой сферы, оттуда никогда не возвращается. Эту сферу еще называют горизонтом (за ним ничего не видно — поэтому и «дыра»). Но на самом деле из-за вращения черной дыры все сложнее. Если при отсутствии вращения дыры на гравитационной сфере тяготение бесконечно большое, то в случае ее вращения оно становится бесконечно большим еще дальше от дыры. Это и понятно, поскольку вращение добавляет гравитацию. Ту сферу, на которой у вращающейся черной дыры тяготение превращается в бесконечность, называют эргосферой. Эта сфера тем больше, чем быстрее вращается черная дыра, чем больше ее гравитационный вихрь.

Если бы черная дыра не вращалась, то есть не имела гравитационного вихря, то тело, попавшее внутрь гравитационной сферы, сразу падало бы в дыру. Но поскольку черная дыра вращается, то тело, попавшее внутрь эргосферы, вовлекается во вращательное движение вокруг черной дыры. При этом оно не только не обязано падать к центру, но оно, вращаясь вокруг звезды, может как приблизиться к ней, так и удалиться от нее. Более того, оно может вынырнуть из-под эргосферы наружу, покинув опасную зону.

Мы говорили о том, что на гравитационной сфере сила притяжения становится бесконечно большой. Но это так только в том случае (гипотетическом), когда черная дыра не вращается. На самом деле черная дыра обязательно унаследует вращение от нейтронной звезды, поэтому у нее всегда есть гравитационный вихрь. Вот почему на гравитационной сфере, а точнее на эргосфере, гравитационная сила не становится бесконечной. Она остается конечной. Именно поэтому внутри эргосферы тело не обязано падать в черную дыру, оно может вращаться вокруг дыры и даже вынырнуть обратно из-под эргосферы. Поэтому если гравитационную сферу, из которой ничего обратно не возвращается в принципе, мы могли назвать границей черной дыры, то эргосферу считать такой границей нельзя, поскольку из-за этой границы тело может вернуться обратно, выйти наружу. Пространство между гравитационной сферой (горизонтом) и эргосферой является в смысле движения тел особым. Здесь все тела под действием силы тяготения вращаются вокруг черной дыры. Иногда это пространство называют эргосферой.

Если гироскоп постепенно приближать к черной дыре, то на поверхности эргосферы он должен будет вращаться с бесконечной скоростью. Если удаляться от поверхности наружу, то скорость вращения гироскопа будет постепенно уменьшаться.

Теперь рассмотрим движение около черной дыры с двух точек зрения. Здесь слово «точка» понимается в прямом смысле, то есть как определенное место в пространстве. Мы уже говорили о том, что силы притяжения (гравитация) оказывают влияние на ход времени. Это влияние выявляется только при очень больших силах притяжения. Но если мы многократно говорили о бесконечно больших силах гравитации на гравитационной сфере, то это и есть тот случай, когда надо учитывать изменение скорости течения времени под действием очень больших (даже не обязательно бесконечных) сил притяжения. Резюме из всего сказанного следующее: время вблизи черной дыры (и в ней) существенно замедляется или вообще останавливается. Таким образом, есть смысл говорить о времени в двух точках: вблизи черной дыры или даже внутри нее и достаточно далеко от черной дыры, где время течет с обычной скоростью.

Если мы находимся далеко от черной дыры, то есть являемся далеким наблюдателем, то увидим следующую картину взаимодействия черной дыры и пролетающего мимо нее тела. Падая на черную дыру, тело сначала отклонится в сторону вращения черной дыры. Затем тело пересечет границу эргосферы и после этого постепенно приблизится к горизонту (гравитационной сфере). Но вблизи гравитационной сферы, то есть на горизонте, все тела (независимо от их массы и начальной скорости) имеют одну и ту же угловую скорость обращения вокруг черной дыры. Эта скорость обращения не зависит от того, в какое место гравитационной сферы попадает данное тело. Это принципиально, поскольку чуть дальше от черной дыры вращение разных тел является различным. Это свойство обусловлено именно тем, что черная дыра вращается и поэтому имеет вокруг себя гравитационный вихрь. Он-то и закручивает все тела вокруг черной дыры, притом с одинаковой угловой скоростью. Но это только на границе гравитационной сферы, которую и считают поверхностью черной дыры.

Рассмотрим, что происходит со светом, который исходит из разных областей вокруг черной дыры. От самой черной дыры свет не исходит вообще. Его удерживают бесконечные силы притяжения черной дыры, и поэтому он не может от нее оторваться. Собственно именно поэтому дыра является черной, невидимой. Для того чтобы свет мог оторваться от черной дыры, надо, чтобы он распространялся со скоростью больше трехсот тысяч километров в секунду, то есть со скоростью, большей скорости света в вакууме. Но превышать скорость света в вакууме в принципе нельзя. Это запрещает теория относительности. Поэтому свет из черной дыры выбраться не может.

Но со светом вблизи черной дыры в условиях действия очень большой силы притяжения происходят и другие экзотические вещи. В частности, меняется его цвет, а это равнозначно изменению частоты (длины волны) данного излучения. Кроме того, очень сильное поле притяжения изменяет траекторию светового луча, световой луч притягивается массивным телом и поэтому искривляется. Собственно, луч искривляется телом с любой массой, только эффект будет заметным в случае большой массы этого тела. Искривление луча света Солнцем было измерено во время солнечного затмения экспедицией, которая специально для этого отправилась в Африку. Измерения дали величину искривления луча света, которое полностью согласовалось с теорией относительности Эйнштейна.