Космические рубежи теории относительности

Путешествие двух астрономов на нашем воображаемом космическом корабле начинается с того, что этому уникальному кораблю предоставляется возможность просто падать на чёрную дыру вдоль её 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 чёрной дыры), а другой - из кормового (вид назад на Вселенную). Корабль останавливался пять раз, и всякий раз делалась пара фотографий:

Снимок

Расстояние от чёрной дыры

Фото А

Расстояние велико (много шварцшильдовских радиусов)

Фото Б

5 шварцшильдовских радиусов

Фото В

2 шварцшильдовских радиуса

Фото Г

На фотонной сфере (1,5 шварцшильдовского радиуса)

Фото Д

Прямо над горизонтом событий (чуть больше 1 шварцшильдовского радиуса)

На рис. 8.14 показано, где был космический корабль относительно чёрной дыры в моменты получения снимков.

РИС. 8.14. Приближение космического корабля к чёрной дыре. Пять пар фотографий шварцшильдовской чёрной дыры сняты из указанных на рисунке точек.

РИС 8.15.

Фото А (вид издалека от чёрной дыры). Расстояние от чёрной дыры равно многим шварцшильдовским радиусам. Чёрная дыра выглядит отсюда как маленькое чёрное пятнышко в центре поля зрения носового иллюминатора.

Фото Б (вид с расстояния 5 шварщиильдовских радиусов). При взгляде с 5 шварщиильдовских радиусов угловой поперечник чёрной дыры составляет около 46°; она занимает центральную часть поля зрения носового иллюминатора. Дали Вселенной всё ещё видны в кормовой иллюминатор, хотя там уже заметны некоторые искажения.

Фото В (вид с расстояния 2 шварцшильдовских радиуса). При взгляде с 2 шварцшильдовских радиусов угловой поперечник чёрной дыры достигает 136°, и она закрывает большую часть поля зрения носового иллюминатора. Вид в кормовом иллюминаторе ещё более искажен, чем на фото Б.

Фото Г (вид с поверхности фотонной сферы). При взгляде с фотонной сферы (1,5 шварцшильдовского радиуса) чёрная дыра заполняет всё поле зрения носового иллюминатора, так что её угловой поперечник равен 180°. Вид назад также чрезвычайно искажен, особенно по краям поля зрения.

Фото Д (вид с высоты в несколько метров над горизонтом событий). Прямо над горизонтом событий носовой иллюминатор сплошь чёрный. Кажущиеся «края» чёрной дыры теперь заполняют со всех сторон кормовой иллюминатор. Видимая через него внешняя Вселенная сжалась теперь в небольшой кружок с центром в направлении от чёрной дыры.

На очень больших расстояниях от чёрной дыры сама дыра выглядела как маленькое пятно света в середине носового иллюминатора (рис. 8.15 А). Окружающее небо оставалось практически неискаженным, за одним важным исключением. Все звёзды во Вселенной посылают хоть немного света в окрестности фотонной сферы. Этот свет кружит вокруг чёрной дыры раз - другой или больше, а затем его траектория раскручивается спиралью навстречу космическому кораблю. Поэтому астроном, проводящий наблюдения через носовой иллюминатор, видит многократные изображения всех звёзд Вселенной, обрамляющие видимый «край» чёрной дыры. (Чтобы рис. 8.15, А - Д не получились перегруженными, все эти многократные изображения опущены.) Таким образом, вид неба около чёрной дыры будет весьма сложным и искаженным.

В 1975 г. Кэннингэм из Калифорнийского технологического института (США) провел ряд расчётов, которые помогли выяснить, как выглядит чёрная дыра, если глядеть на неё с разных расстояний. Рис. 8.15,Б показывает (на основании этих вычислений), что будет видно с расстояния в 5 шварцшильдовских радиусов. Так как космический корабль в этом случае находится вблизи чёрной дыры, она представляется большей, чем на рис. 8.15, А. На расстоянии в 5 шварцшильдовских радиусов (что соответствует расстоянию 150 км, если чёрная дыра имеет массу в 10 солнечных масс) угловой поперечник дыры равен примерно 56°. Вид же из кормового иллюминатора остаётся практически неискаженным.

С расстояния в 2 шварцшильдовских радиуса (60 км от чёрной дыры в 10 раз более массивной, чем Солнце) чёрная дыра - основной объект в небе перед космическим кораблем. Её угловой поперечник вырос уже до 136° (рис. 8.15, В). Всё видимое вокруг неё из носового иллюминатора небо чрезвычайно сильно искажено и заполнено многократными изображениями огромного количества звёзд и галактик. Даже из кормового иллюминатора небо наблюдается уже сильно искаженным.

С «высоты» фотонной сферы (45 км от чёрной дыры в 10 раз массивней Солнца) изображение чёрной дыры занимает всё поле зрения носового иллюминатора космического корабля, как видно на рис. 8.15, Г. По краям поля зрения кормового иллюминатора теперь видны бесчисленные многократные изображения.