Космические рубежи теории относительности
Шрифт:
Если смотреть на дыру под углом к оси её вращения, то кружок света из отрицательной Вселенной становится эллиптическим и уменьшается в размерах. При ещё больших углах область, заключающая в себе свет из отрицательной Вселенной, уменьшается и вытягивается ещё сильнее. К тому же и светящийся образ сингулярности становится всё более вытянутым эллипсом по мере того, как мы смотрим на керровскую сингулярность всё более и более в профиль. Как и прежде, область между светом из отрицательного пространства и от сингулярности заполнена лучами из положительного пространства, которые ненадолго нырнули в отрицательную Вселенную и вернулись назад.
Описанный только что анализ касался лишь вида самой сингулярности. Если наблюдающий чёрную дыру астроном сменит окуляр своего телескопа на широкоугольный, то он сможет увидеть и области на больших расстояниях от сингулярности. Чтобы разобраться в такой цельной картине вращающейся чёрной дыры, необходимо
РИС. 12.16. Диаграмма Пенроуза для предельной керровской чёрной дыры (М = а). Астроном в нашей Вселенной видит свет, приходящий из разных мест, при наблюдении вращающейся чёрной дыры. К астроному в нашей Вселенной (Вселенная 3) приходит свет из отрицательного пространства (Вселенная 2) и связанной с этим пространством сингулярности. К астроному также отражается изнутри дыры свет из предыдущей Вселенной (Вселенная 1) и из ранних эпох нашей Вселенной.
Рассмотрим диаграмму Пенроуза для предельной керровской дыры (М = а), изображенную на рис. 12.16. Вспомним, что на всех таких пространственно-временных диаграммах лучи света всегда направлены под углом 45°. На данной диаграмме Пенроуза изображены мировые линии характерных лучей света, которые может увидеть астроном в нашей Вселенной (Вселенная 3). Прежде всего он получает свет от F– из отрицательной Вселенной (Вселенная 2). Этот свет приходит от самого центра кольцевой сингулярности. Астроном получает также свет от сингулярности, ограничивающей Вселенную 2 и тем самым разделяющий положительное пространство (справа) и отрицательное пространство (слева). Вид световой области из Вселенной 2 и от сингулярности показан на рис. 12.15. Однако с наружной границы света, приходящего от сингулярности, астроном видит световые лучи, идущие ещё от двух источников.
Звёзды и галактики в нашей Вселенной (а также наверняка и в других Вселенных) испускают свет во всех направлениях. Часть этого света попадает на вращающуюся чёрную дыру. Когда этот свет проходит в эргосферу дыры, он многократно прокручивается вокруг оси вращения. Грубо говоря, часть этого света испытывает действие «центробежных сил», отбрасывающих лучи назад во Вселенную. Иными словами, луч света из F– нашей Вселенной и F– предыдущей Вселенной (Вселенной 1) могут снова отражаться в положительное пространство. Удалённый астроном может поэтому видеть свет из Вселенной 1 и из нашей Вселенной (от ранних этапов её истории!).
РИС. 12.17.
А: Вид предельной керровской чёрной дыры (M = а) при = 0°. При наблюдении прямо по оси вращения удалённый астроном видит свет из Вселенной с отрицательным пространством и из предыдущей Вселенной с положительным пространством. Он видит свет также из самых ранних эпох своей собственной Вселенной.
Б: Вид предельной керровской чёрной дыры (М = а) при = 45°. Если направление наблюдения характеризуется промежуточным значением угла между осью вращения и экваториальной плоскостью, то вид чёрной дыры в основном останется тем же, что на рис. 12.17, A. Но, поскольку дыра вращается, сингулярность будет казаться сдвинутой с центра поля зрения.
В: Вид предельной керровской чёрной дыры (М = а) при = 90°. При взгляде из экваториальной плоскости астроном видит сингулярность «в профиль». Свет, обращающийся вокруг сингулярности в экваториальной плоскости, может уходить от дыры по спирали к удалённому астроному.
На рис. 12.17,А-В, изображен полный вид предельной керровской чёрной дыры, как её видел бы удалённый астроном в нашей Вселенной. Во всех случаях характерный вид сингулярности взят с рис. 12.15. Центральная часть дыры всякий раз окружена большой круговой областью, заполненной светом из Вселенной 1. Этот свет отражается в сторону астронома из глубокой внутренней части дыры. Вне этой круговой области астроном видит свет от объектов из его собственной Вселенной. Таким образом, астроном, рассматривая вращающуюся чёрную дыру, может наблюдать, что происходит в отрицательной Вселенной и что происходило в предшествующей положительной Вселенной. К тому же свет из Вселенной 3, наблюдаемый рядом с дырой, приходит от раннего этапа нашей собственной Вселенной (из F– Вселенной3). Поэтому астроном в принципе должен увидеть, что происходило миллиарды лет назад! У него появляется принципиальная возможность увидеть образование Земли, динозавров или доисторического человека - всё зависит от того, куда именно он будет смотреть.
Общая картина чёрной дыры при наблюдении под разными углами имеет одни и те же особенности. Однако при наблюдении под углом к её оси вращения видимое положение сингулярности оказывается сдвинутым в одну сторону ввиду вращения дыры. Когда астроном наблюдает дыру в её экваториальной плоскости ( = 90° ), он видит сингулярность сбоку. В отличие от предыдущих случаов свет, обращающийся вокруг сингулярности в экваториальной плоскости, может «раскрутиться» наружу и попасть в телескоп далёкого астронома.
Если чёрная дыра вращается медленнее, чем с предельной скоростью, то вид её при наблюдении с направлений вне экваториальной плоскости в основном такой же, как у предельной керровской дыры. Однако при взгляде из экваториальной плоскости ( = 90°) обнаруживаются некоторые новые детали. Чтобы понять их происхождение, следует обратить внимание на соответ ствующую диаграмму Пенроуза. На рис. 12.18 изображена диаграмма Пенроуза для керровской чёрной дыры при М > а.
РИС. 12.18. Диаграмма Пенроуза для керровской чёрной дыры с М > а. Если чёрная дыра вращается со скоростью меньше предельной, то свет от сингулярности, которая ограничивает вторую отрицательную Вселенную (Вселенную 2А), отражается изнутри чёрной дыры к удалённому астроному в нашей Вселенной.
В нашей Вселенной (Вселенная 3) астроном всё ещё наблюдает свет, приходящий как непосредственно из Вселенной 2, так и с ограничивающей её сингулярности. К нему продолжает поступать и отраженный свет из Вселенной 1 (предшествующей Вселенной с положительным пространством) и из отдалённого прошлого его собственной Вселенной. Однако, поскольку дыра вращается медленно, на диаграмме Пенроуза появляется ещё одна Вселенная с отрицательным пространством. Свет от сингулярности, ограничивающей эту добавочную отрицательную Вселенную (Вселенную 2А), также отражается изнутри дыры в сторону удалённого астронома. Таким образом, последний может видеть свет с сингулярности Вселенной 2А. Соответствующие лучи попадают к удалённому астроному лишь в том случае, если он находится в экваториальной плоскости чёрной дыры ( = 90°). На рис. 12.19, основанном на расчётах Каннингэма, показан вид почти - предельной керровской чёрной дыры (а = 10% М). Вид этот почти такой же, как и в предельном случае (рис. 12.17, В), однако теперь виден свет от сингулярности, ограничивающей вторую отрицательную Вселенную. Свет от этой второй сингулярности появляется несколько левее в поле зрения и включает два небольших «крыла», слегка поднимающихся и опускающихся относительно экваториальной плоскости.
РИС. 12.19. Вид почти-предельной керровской чёрной дыры при = 90°. При наблюдении из экваториальной плоскости непредельной (М > а) вращающейся чёрной дыры астроном может видеть свет из второй отрицательной Вселенной (Вселенной 2А), отраженный к нему изнутри дыры.
На очереди - занимательное упражнение, героями которого будут отчаянные космонавты: что они увидят, ныряя во вращающуюся керровскую чёрную дыру и выныривая из неё? Рассмотрим сначала полёт «камикадзе». Два космонавта покидают нашу Вселенную и ныряют в непредельную керровскую чёрную дыру в её экваториальной плоскости. Направив свой космический корабль в экваториальной плоскости дыры, они понимают, что врежутся в сингулярность и будут разорваны бесконечно сильно искривлённым пространством-временем. И всё же они решаются...