Астрономический сайт

Загадки земли и вселенной

Вращающиеся черные дыры

Черные дыры

Шварцшильдовскую черную дыру нельзя считать реальным физическим объектом в строгом смысле этого слова. Дело в том, что если черные дыры действительно существуют, то они должны образовываться из вращающихся тел (т. е. из тел, обладающих собственным моментом импульса), и, кроме того, эти тела могут иметь отличный от нуля электрический заряд. Но если большинство объектов во Вселенной можно все же считать электрически нейтральными, то вращение—это общее свойство, присущее звездам, планетам и галактикам.

Черная дыра, возникающая в результате коллапса вращающейся массивной звезды, сама должна вращаться вокруг своей оси с большой скоростью; ведь нам доподлинно известно, что нейтронные звезды являются быстро вращающимися объектами. Теоретические исследования, проведенные Б. Картером, В. Израэлом, Д. Робинсоном и С. Хокингом, показали, что с точки зрения внешнего наблюдателя черные дыры могут иметь только три характеристики: свойства черной дыры полностью определяются ее массой М, электрическим зарядом Q и собственным моментом импульса J. Эти три характеристики должны остаться у черной дыры, поскольку они связаны с полями дальнодействующих сил, которые оказывают влияние на удаленные объекты. Гравитационное поле, величина которого зависит от массы М и момента импульса J, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника; электромагнитная сила, обусловленная зарядом Q, ведет себя подобным же образом. При формировании черной дыры гравитационное поле вне горизонта событий продолжает воздействовать на распространение световых лучей и движение объектов с ненулевой массой покоя. Аналогично электромагнитное поле, связанное с полным электрическим зарядом черной дыры, также будет оказывать влияние на окружающие тела. Никакие другие свойства вещества, участвующего в формировании черной дыры, не передаются ей «в наследство». Подчеркивая этот аспект природы черных дыр, профессор Дж. А. Уилер весьма остроумно заметил: «У черной дыры не может быть волос». Иными словами, коллапсирующее тело быстро достигает состояния, единственными характеристиками которого являются масса, заряд и собственный момент импульса—других отличительных черт у черной дыры нет. Решение уравнений поля для сколлапсировавших массивных тел с электрическим зарядом и моментом импульса— чрезвычайно трудная задача. В 1916—1918 гг. X. Райсснер и Дж. Нордстрём нашли решение, описывающее черную дыру с массой М и электрическим зарядом Q, но лишь в 1963 г. австралийский математик Рой П. Керр получил решение уравнений поля для черной дыры с массой М и собственным моментом импульса J. Только после этого стало возможно построить достаточно реалистические модели черных дыр. Примерно через 2 года после Керра Э. Ньюмен с соавторами нашел решение, в котором фигурировали все три характеристики черных дыр: М. Q и J. Решения Керра—Ньюмена, по-видимому, исчерпывают все возможные варианты моделей черных дыр.

Впрочем, вряд ли в природе есть черные дыры, несущие сколько-нибудь существенный электрический заряд, а если таковые и существуют, то недолго. Дыра, образовавшаяся из вещества с большим положительным электрическим зарядом, будет интенсивно притягивать оказавшиеся по соседству отрицательные заряды и отталкивать положительные. В результате через некоторое время первоначальный заряд черной дыры будет нейтрализован.

Что же касается вращающихся черных дыр, то они как внутри, так и вне горизонта событий обладают рядом замечательных свойств. Вне горизонта событий таких дыр простирается область, называемая эргосферой (рис. 34), которая снаружи ограничена некой поверхностью (разумеется, не твердой), именуемой пределом стационарности. Последний касается горизонта событий в двух точках — «полюсах» черной дыры. Внутри предела стационарности ничто не может оставаться в покое: даже если бы ваш космический корабль двигался с околосветовой скоростью, то в эргосфере вы бы не избежали вынужденного вращения—само пространство там как бы увлекается вращением черной дыры и закручивается вокруг ее оси.



Рис. 34. Вращающаяся (керровская) черная дыра. За горизонтом событий вращающейся черной дыры находится область пространства, называемая эргосферой. Любое тело, попавшее в эргосферу, оказывается вовлеченным во вращательное движение вместе с дырой. Граница эргосферы носит название предела стационарности, поскольку здесь увлечения может избежать частица, движущаяся со скоростью света. Частица, попавшая в эргосферу, может выйти из нее, приобретя при этом дополнительную энергию.

Космический корабль, попавший внутрь эргосферы, в принципе, может ее покинуть, для этого достаточно, включив двигатели, направить его в сторону от горизонта событий; однако ничего нельзя сделать, чтобы корабль (или даже луч света) оставался в этой области пространства неподвижным. Этот эффект известен как «увлечение инерциальных систем отсчета» Лензе—Тирринга. Чтобы понять, почему это происходит, нам необходимо вспомнить принцип Маха, согласно которому любое тело во Вселенной вносит вклад в свойство инерции всех остальных тел. При нормальных условиях инерция тела определяется главным образом удаленными массами, но и близкие массы оказывают на нее некоторое (очень слабое) влияние. Следовательно, массивное вращающееся тело должно увлекать в круговое движение инерциальные системы в своей ближайшей окрестности. Этот эффект в принципе можно наблюдать с помощью маятника Фуко (маятника, свободно качающегося в «фиксированной» плоскости, относительно которой вращается Земля), установив его на одном из полюсов Земли и наблюдая, остается ли плоскость, в которой он колеблется, неподвижной относительно удаленных галактик или же она медленно поворачивается в направлении собственного вращения Земли. Эффект увлечения слишком мал, чтобы его можно было заметить с помощью современных приборов. Однако обусловленную этим эффектом прецессию орбиты спутника можно выделить среди других видов возмущений, хотя для того, чтобы вследствие этой прецессии плоскость орбиты спутника coвершила один полный оборот вокруг Земли, потребуется почти 10 млн. лет. В 1969 г. Роджер Пенроуз теоретически доказал, что из эргосферы черной дыры можно черпать энергию. Если; какая-то частица, обладающая определенной энергией, попадет в эргосферу и разлетится на два осколка, один из которых имеет отрицательную энергию (и собственный момент импульса—спин, противоположный моменту импульсе черной дыры), то этот осколок упадет в черную дыру, тогда как другой осколок (в соответствии с законом сохранения энергии и импульса) вылетит из эргосферы с энергией, Превышающей первоначальную энергию всей частицы в целом. В принципе энергию вылетевшего осколка можно использовать для совершения полезной работы. Падение частицы и вылет за пределы эргосферы одного из ее осколков приводят к уменьшению полной массы-энергии черной дыры, а многократное повторение этого процесса должно вызвать потерю значительной части массы-энергии черной дыры. Однако здесь есть определенные ограничения. Падение в черную дыру частиц со спином, противоположным ее собственному моменту импульса, вызывает замедление вращения черной дыры, и, как только вращение прекращается, дальнейшее извлечение энергии таким методом становится невозможным. Если мы начнем черпать энергию из черной дыры, вращающейся с максимальной допустимой скоростью (предельная керровская черная дыра), то к моменту ее полной остановки мы сможем извлечь 29% ее первоначальной массы-энергии, а это очень много: ядерные реакции, идущие в недрах звезд, далеко не столь эффективны—в них только около 1% массы вещества превращается в энергию. Рассмотренный Пенроузом процесс говорит о том, что потенциально вращающиеся черные дыры могут служить самыми мощными источниками энергии во Вселенной.

В 1971 г. профессор Кембриджского университета С. Хокинг доказал важную теорему, касающуюся возможности извлечения энергии из черных дыр, обобщив результат, полученный годом ранее Д. Кристодулу. Эта теорема о площади гласит, что площадь горизонта событий черной дыры не может уменьшаться: что бы ни происходило с черной дырой, «площадь ее поверхности» должна либо увеличиваться, либо оставаться неизменной. Площадь поверхности черной дыры пропорциональна квадрату ее массы (радиус черной дыры пропорционален ее массе, а площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату радиуса). Если рассмотреть простой пример столкновения и «слипания» двух одинаковых черных дыр, то в ходе этого процесса некоторая доля суммарной массы может быть утрачена—излучена в пространство в виде гравитационных волн. Максимально возможная потеря массы произойдет в том случае, когда площадь поверхности черной дыры, возникшей в результате столкновения, будет в точности равна суммарной площади поверхности первоначально сталкивающихся дыр, что и определяет верхний предел для освобождающейся в таком процессе энергии. Максимальное количество энергии, которая, согласно теории, может быть высвобождена при столкновении черных дыр, составляет 29% полной энергии двух столкнувшихся черных дыр. В действительности столкновение черных дыр в высшей степени маловероятно. Но даже если оно и произойдет, то вычисления показывают, что полный выход энергии будет значительно меньше указанного предела.

Как мы увидим ниже, черные дыры могут быть очень емкими источниками энергии. Даже невращающаяся черная дыра представляет собой достаточно глубокую гравитационную потенциальную яму, из которой энергия может высвобождаться гораздо более эффективно, чем при термоядерном синтезе. Например, падающие на черную дыру газово-пылевые облака в результате столкновения быстро ускоряющихся в них частиц должны нагреться до огромных температур, и, прежде чем исчезнуть за горизонтом событий, они будут излучать огромное количество энергии, главным образом в рентгеновском диапазоне. Итак, вещество, находящееся на некотором расстоянии от черной дыры, должно обладать значительным запасом потенциальной энергии; по мере падения вещества в черную дыру его потенциальная энергия превращается в кинетическую, которая, в свою очередь, частично превращается в тепловое или какое-либо другое излучение: так, кинетическая энергия падающего на землю камня рассеивается в почве в виде тепла, звуковых я ударных волн. Хотя черные дыры абсолютно черны, т. е. из-под их горизонта событий излучение не выходит, их сильные гравитационные поля представляют собой самые мощные потенциальные источники энергии, которая может высвобождаться в процессе падения вещества под горизонт событий.





Страниц : 1