Космические рубежи теории относительности
Шрифт:
Во время путешествия астрономы делают на разных этапах пути четыре пары фотографий - по одной из каждого иллюминатора. Первая пара (снимки А) сделана, когда они были ещё очень далеко от чёрной дыры. На рис. 9.21, А видно чёрную дыру как маленькое пятнышко в центре поля зрения носового иллюминатора Хотя в непосредственной близости от чёрной дыры вид неба искажен, его остальная часть выглядит совершенно обычно. По мере того как скорость падения астрономов на чёрную дыру возрастает, свет от объектов из удалённой Вселенной, наблюдаемый через кормовой иллюминатор, испытывает всё более и более сильное красное смещение.
Хотя, по утверждению удалённых наблюдателей, падение космического корабля замедляется до полной его остановки на горизонте событий, астрономы на самом космическом корабле ничего подобного не заметят. По их мнению,
Картина, наблюдаемая падающими астрономами с горизонта событий, показана на рис. 9.21,Б. Этот и последующие рисунки построены на основании расчётов, проделанных Кэннингэмом в Калифорнийском технологическом институте в 1975 г. Если бы астрономы покоились, изображение чёрной дыры занимало бы всё поле зрения носового иллюминатора (рис. 8.15,Д). Но так как они движутся с большой скоростью, изображение сосредоточивается в середине носового иллюминатора. Его угловой поперечник примерно равен 80°. Вид неба рядом с чёрной дырой очень сильно искажен, а астроном, ведущий наблюдение через кормовой иллюминатор, видит лишь ту Вселенную, из которой они прилетели.
Для понимания того, что же будет видно, когда корабль будет находиться внутри горизонта событий, вернемся к диаграмме Пенроуза шварцшильдовской чёрной дыры (см. рис. 9.18 или 9.20). Вспомним, что идущие в чёрную дыру световые лучи имеют на этой диаграмме наклон 45°. Поэтому, оказавшись под горизонтом событий, астрономы смогут видеть и другую Вселенную. Лучи света из удалённых частей другой Вселенной (т.е. из её бесконечности F– в левой части диаграммы Пенроуза) смогут теперь дойти до астрономов. Как показано на рис. 9.21,В, в центре поля зрения носового иллюминатора космического корабля, находящегося между горизонтом событий и сингулярностью, видна другая Вселенная. Чёрная часть дыры представляется теперь в виде кольца, отделяющего изображение нашей Вселенной от изображения другой Вселенной. По мере приближения падающих наблюдателей к сингулярности чёрное кольцо становится всё тоньше, прижимаясь к самому краю поля зрения носового иллюминатора. Вид неба из точки прямо над сингулярностью показан на рис. 9.21,Г. В носовой иллюминатор становится всё лучше и лучше видно другую Вселенную, а прямо на сингулярности её вид целиком заполняет поле зрения носового иллюминатора. Астроном же, проводящий наблюдения через кормовой иллюминатор, видит на протяжении всего полёта лишь нашу внешнюю Вселенную, хотя её изображение становится всё более и более искаженным.
Падающие астрономы отметят ещё один важный эффект, который не отражен на «снимках» 9.21,А-Г. Вспомним, что свет, уходящий из окрестностей горизонта событий в удалённую Вселенную, претерпевает сильнейшее красное смещение. Это явление, называемое гравитационным красным смещением, мы обсуждали в гл. 5 и 8. Красное смещение света, приходящего из области с сильным гравитационным полем, соответствует потере им энергии. Обратно, когда свет «падает» на чёрную дыру, он испытывает фиолетовое смещение и приобретает энергию. Приходящие из удалённой Вселенной туда слабые радиоволны превращаются, например, в мощные рентгеновские или гамма-лучи непосредственно над горизонтом событий. Если описываемые диаграммами Пенроуза типа изображенной на рис. 9.18 чёрные дыры действительно существуют в природе, то свет, падающий на них из F– , скапливается в течение миллиардов лет около горизонта событий. Этот падающий свет приооретает чудовищную энергию, и когда астрономы опускаются под горизонт событий, они встречаются поэтому с неожиданной резкой вспышкой рентгеновских и гамма-лучей. Тот свет, который приходит из области F– другой Вселенной и собирается около горизонта событий, образует, как говорят, фиолетовый слой. Как мы увидим
10
ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАРЯДОМ
Анализ эволюции звёзд привел астрономов к заключению, что как в нашей Галактике, так и вообще во Вселенной могут существовать чёрные дыры. В двух предыдущих главах мы рассмотрели ряд свойств самых простых чёрных дыр, которые описываются тем решением уравнения гравитационного поля, которое нашёл Шварцшильд. Шварцшильдовская чёрная дыра характеризуется только массой; электрического заряда у неё нет. У неё отсутствует также магнитное поле и вращение. Все свойства шварцшильдовской чёрной дыры однозначно определяются заданием одной только массы той звезды, которая, умирая, превращается в чёрную дыру в ходе гравитационного коллапса.
Нет сомнений, что решение Шварцшильда - чересчур простой случай. Настоящая чёрная дыра должна по крайней мере вращаться. Однако сколь сложной может быть чёрная дыра на самом деле? Какие добавочные подробности, следует учесть, а какими можно пренебречь при полном описании той чёрной дыры, которую можно обнаружить при наблюдениях неба?
Представим себе массивную звезду, у которой только что кончились все ресурсы ядерной энергии и у которой вот-вот начнется фаза катастрофического гравитационного коллапса. Можно думать, что такая звезда обладает очень сложной структурой и при её всестороннем описании пришлось бы учитывать множество характеристик. В принципе астрофизик способен рассчитать химический состав всех слоёв такой звезды, изменение температуры от её центра до поверхности и получить все данные о состоянии вещества в недрах звезды (например, его плотности и давления) на всевозможных глубинах. Такие расчёты сложны, и их результаты существенно зависят от всей истории развития звезды. Внутреннее строение звёзд, образовавшихся из разных облаков газа и в разное время, заведомо должно быть различным.
Однако, несмотря на все эти осложняющие обстоятельства, существует один бесспорный факт. Если масса умирающей звезды превышает примерно три массы Солнца, эта звезда непременно превратится в чёрную дыру в конце своего жизненного цикла. Не существует таких физических сил, которые могли бы предотвратить коллапс столь массивной звезды.
Чтобы лучше осознать смысл этого утверждения, вспомним, что чёрная дыра - это столь искривлённая область пространства-времени, что из неё ничто не может вырваться, даже свет! Другими словами, из чёрной дыры невозможно получить никакую информацию. Как только вокруг умирающей массивной звезды возник горизонт событий, становится невозможным выяснить какие бы то ни было детали того, что происходит под этим горизонтом. Наша Вселенная навсегда теряет доступ к информации о событиях под горизонтом событий. Поэтому чёрную дыру иногда называют могилой для информации.
Хотя при коллапсе звезды с появлением чёрной дыры и теряется огромное количество информации, всё же некоторая информация извне остаётся. Например, сильнейшее искривление пространства-времени вокруг чёрной дыры указывает, что здесь умерла звезда. С массой мёртвой звезды прямо связаны такие конкретные свойства дыры, как поперечник фотонной сферы или горизонта событий (см. рис. 8.4 и 8.5). Хотя сама дыра в буквальном смысле чёрная, космонавт ещё издалека обнаружит её существование по гравитационному полю дыры. Измерив, насколько траектория его космического корабля отклонилась от прямолинейной, космонавт может точно вычислить полную массу чёрной дыры. Таким образом, масса чёрной дыры - это один из элементов информации, который не теряется при коллапсе.
Чтобы подкрепить это утверждение, рассмотрим пример двух одинаковых звёзд, образующих при коллапсе чёрные дыры. На одну звезду поместим тонну камней, а на другую - слона весом в одну тонну. После образования чёрных дыр измерим напряжённость гравитационного поля на больших расстояниях от них, скажем, по наблюдениям орбит их спутников или планет. Окажется, что напряжённости обоих полей одинаковы. На очень больших расстояниях от чёрных дыр для вычисления полной массы каждой из них можно воспользоваться ньютоновской механикой и законами Кеплера. Так как полные суммы масс входящих в каждую из чёрных дыр составных частей одинаковы, идентичными окажутся и результаты. Но что ещё существеннее, это невозможность указать, какая из этих дыр поглотила слона, а какая - камни. Вот эта информация пропала навсегда. Тонну чего бы вы ни бросили в чёрную дыру, результат всегда будет одним и тем же. Вы сможете определить, какую массу вещества поглотила дыра, но сведения о том, какой формы, какого цвета, какого химического состава было это вещество, утрачиваются навсегда.