В ОБЪЯТИЯХ "ЧЕРНОЙ ДЫРЫ"
Да, действительно, "черным дырам" в последнее время часто посвящаются статьи в научных, научно-популярных и научно-фантастических изданиях. Что же они такое? Как известно, под "черными дырами" понимаются такие области пространства-времени, из которых ничто, даже свет, не может вырваться наружу, так как в них чрезвычайно сильно действует гравитация. Мысль о существовании столь экстравагантных звезд, поле тяготения которых сможет удерживать свет и делать саму звезду невидимой, высказывал еще Лаплас. Тогда эта гипотеза оказалась невостребованной. Настоящая мода на "черные дыры" возникла в 60-е годы нынешнего века на волне релятивистского бума. Появились различные конкурирующие теории "черных дыр". В них видели ключ к разгадке многих тайн Вселенной.
Особенно популярной стала тема воображаемых путешествий в окрестности "черных дыр" и даже в самое их нутро. Разработано несколько математических моделей подобных в принципе невозможных путешествий (с чем согласны и сами разработчики "виртуальных" проектов), опубликовано множество статей и книг. Одно из типичных описаний, заимствованное из книги У. Кауфмана "Космические рубежи теории относительности" (М., 1981), позволяет проникнуть не только в умопомрачительный мир "черных дыр", но и в мир парадоксального мышления современных космологов-релятивистов.
Представим человека, падающего в "черную дыру", -- так обычно начинаются описания невероятных мыслепутешествий. Предположим, что он падает вниз ногами. Падение все время свободное, так что человек находится в состоянии невесомости. Однако при сближении с "черной дырой" он начинает ощущать нечто необычное, поскольку его ноги оказываются ближе к "черной дыре", чем голова. Дело в том, что ноги будут падать быстрее головы. В результате "экспериментатор" станет вытягиваться в длинную тонкую нить. К моменту пересечения горизонта событий его длина может достичь сотни километров. Популяризатор осознает, что падение в "черную дыру" -- занятие не из приятных, ибо еще задолго до того, как испытуемый приблизится к фотонной сфере, его тело будет разорвано приливными силами невероятной мощи.
Могут ли вообще возникать сами "черные дыры"? Не потребуется ли бесконечно длительный срок (с нашей точки зрения) для того, чтобы поверхность умирающей звезды достигла горизонта событий? И да, и нет! -- считают теоретики. Безусловно верно, что последние несколько атомов на поверхности коллапсирующей звезды никогда не уйдут за горизонт событий. Но дело не в этом. Ведь, согласно математическим расчетам, вся звезда становится практически "черной" уже спустя несколько тысячных секунды после начала коллапса. И при формировании горизонта событий можно считать, что почти вся звезда уже очутилась за горизонтом. Вещество под горизонтом событий очень быстро падает на сингулярность. На трехмерной диаграмме пространства-времени эта картина выглядит следующим образом (рис. 127).
Радиус горизонта событий часто называют шварцшильдовским радиусом (автор решения Шварцшильд). Как только необходимое количество вещества уйдет под шварцшильдовский радиус, образуется горизонт событий, и это вещество оказывается в ловушке, где оно коллапсирует до самой сингулярности. А несколько замешкавшихся атомов из внешних слоев умирающей звезды так и не смогут никогда перебраться под горизонт событий и обречены вечно парить над поверхностью со шварцшильдовским радиусом.
Чтобы лучше разобраться в структуре "черных дыр", представьте себе воображаемое путешествие на космическом корабле, оборудованном большими смотровыми иллюминаторами. Используя такую "технику", можно узнать, что увидели бы бесстрашные астронавты, если бы они действительно отправились в путешествие к различным типам "черных дыр", в сами эти дыры и даже сквозь них.
Шварцшильдовские радиусы черных дыр,
обладающих разными массами
________________________________________________________________
Масса черной дыры Шварцшильдовский радиус
(радиус горизонта событий) ________________________________________________________________
1 т 13.10- 15 ангстрем
106 т 13.10- 9 ангстрем
1012 т 13.10- 3 ангстрем
1015 т 13 ангстрем
1 масса Земли 0,8 см
1 масса Юпитера 2,8 м
1 масса Солнца 3 км
2 массы Солнца 6 км
3 массы Солнца 9 км
5 масс Солнца 15 км
10 масс Солнца 30 км
50 масс Солнца 150 км
100 масс Солнца 300 км
103 масс Солнца 3.103 км
106 масс Солнца 10 световых секунд
109 масс Солнца 2,8 свет. часов
1012 масс Солнца 117 свет. дней
1015 масс Солнца 320 свет. лет
_______________________________________________________________________
Вообразим космический корабль, показанный на рисунке 128. Он снабжен двумя большими иллюминаторами. Носовой иллюминатор смотрит прямо в центр "черной дыры", а кормовой -- в противоположном направлении. Из каждого иллюминатора видна половина всего неба. Космический корабль обладает очень мощными ракетными двигателями, позволяющими ему удерживаться на разных высотах над горизонтом событий. На борту корабля находятся два астронома, которые фотографируют с различных расстояний от черной дыры все, что им видно из иллюминаторов.
Для удобства астрономы выражают свое расстояние от "черной дыры" в шварцшильдовских радиусах, а не милях или километрах (шварцшильдовский радиус -- это радиус горизонта событий). Чем массивнее "черная дыра", тем больше ее шварцшильдовский радиус. В нижеприведенной таблице приведены значения шварцшильдовского радиуса "черных дыр", обладающих разными массами (рис. 129). (Следует принять во внимание, что поперечник горизонта событий "черной дыры" -- это в точности удвоенная величина ее шварцшильдовского радиуса, а раз поперечник горизонта событий равен удвоенному шварцшильдовскому радиусу, то поперечник фотонной сферы -- это утроенный шварцшильдовский радиус).
Путешествие двух астрономов на воображаемом космическом корабле начинается с того, что этому уникальному кораблю предоставляется возможность просто падать на "черную дыру" вдоль ее радиуса. На разных этапах сближения с дырой космонавты включают мощные ракетные двигатели, которые мгновенно останавливают падение корабля. В эти моменты покоя астрономы делают два снимка - один из носового иллюминатора (вид в сторону "черной дыры"), а другой -- из кормового (вид назад на Вселенную). Корабль останавливался пять раз, и всякий раз делались две фотографии. (На рис. 130 показано, где был космический корабль относительно "черной дыры" в моменты получения снимков.) Полученные фотоснимки, согласно теоретическим расчетам, должны выглядеть следующим образом (рис. 131).
Фото А (вид издалека от черной дыры). Расстояние от "черной дыры" равно многим шварцшильдовским радиусам. "Черная дыра" выглядит отсюда как маленькое черное пятнышко в центре поля зрения носового иллюминатора.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134