Космические рубежи теории относительности

Ещё в 1795 г. великий французский математик Пьер - Симон Лаплас теоретическим путём пришел к выводу, что свет не может уйти от тела, если оно достаточно массивно или достаточно сильно сжато. Даже из ньютоновской теории следует, что если скорость убегания для какого-либо объекта превышает величину скорости света, то этот объект для внешнего наблюдателя будет казаться абсолютно чёрным. Но на протяжении почти двухсот лет никому не приходило в голову, что в природе могут действительно существовать чёрные дыры. Однако к середине 1960-х годов астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звёзд и ход их эволюции. Теперь, зная больше, астрономы отчетливо понимают, что не может существовать устойчивых мёртвых звёзд, масса которых превышала бы три солнечные массы. Поскольку во Вселенной звёзды, обладающие намного большими массами, - широко распространенное явление, астрофизики стали всерьёз обсуждать возможность существования чёрных дыр, рассеянных повсюду во Вселенной.

Как мы узнали из предыдущей главы, чёрная дыра - это один из трёх возможных вариантов конечной стадии эволюции звёзд. Однако в отличие от белых карликов и нейтронных звёзд чёрная дыра - это пустое место. Это то, что остаётся после катастрофического гравитационного коллапса массивной звезды, когда она умирает. При коллапсе - катастрофическом сжатии звезды - напряжённость силы тяготения над её поверхностью становится настолько чудовищно большой, что окружающее звезду пространство-время свертывается, и звезда исчезает из Вселенной; остаётся только исключительно сильно искривлённая область пространства-времени.

РИС. 8.1. Как идут световые лучи вблизи чёрной дыры? Лучи света отклоняются мощным гравитационным полем, окружающим чёрную дыру. Вдали от дыры лучи искривляются слабо. Если же луч проходит совсем рядом с дырой, она может захватить его на круговую орбиту или засосать в себя совсем.

Исследовать свойства чёрных дыр лучше всего, изучая, как движутся в этих сильно искривлённых областях пространства-времени объекты - малые тела (материальные точки) и лучи света. Рассмотрим, например, чёрную дыру, изображенную на рис. 8.1. Представим себе, что на неё падают лучи света. Тот луч, который проходит очень далеко от чёрной дыры, отклоняется от своего обычного прямолинейного пути лишь совсем немного. Вдалеке от чёрной дыры пространство-время почти плоское, и там световые лучи распространяются прямолинейно. Это - важный факт. Утверждения в некоторых недавно опубликованных книжках, что чёрные дыры представляют угрозу для нас, совершенно неверны. Чёрные дыры не могут странствовать по Вселенной, «заглатывая» там и сям планеты, звёзды и галактики. Всего в нескольких тысячах километров от чёрных дыр с массой в 10-20 солнечных масс пространство-время практически плоское и релятивистские эффекты несущественны. Если однажды ночью Солнце с помощью какого-либо волшебства превратится в чёрную дыру, вы будете спокойно спать в своей постели, не замечая ничего необычного, по крайней мере пока не наступит утро. Рассвет не наступит, но Земля будет продолжать двигаться по своей орбите с радиусом 150 миллионов километров, как она это делала все предыдущие пять миллиардов лет.

Возвращаясь к рис. 8.1, отметим, что лучи света, проходящие ближе к чёрной дыре, отклоняются на более значительные углы. Когда свет распространяется через область пространства-времени с большей кривизной, его мировая линия становится всё более искривлённой. Можно даже направить луч света точно в таком направлении относительно чёрной дыры, чтобы этот свет оказался пойман на круговую орбиту вокруг дыры. Эта сфера вокруг чёрной дыры иногда называется «фотонной сферой» или «фотонной окружностью»; она образована светом, обегающим вокруг чёрной дыры по всевозможным круговым орбитам. Каждая звезда во Вселенной посылает хоть немного света именно на такое расстояние от чёрной дыры, что этот свет захватывается на фотонную сферу.

Следует помнить, что эти круговые орбиты на фотонной сфере чрезвычайно неустойчивы. Чтобы понять смысл этого утверждения, представим себе почти круговую орбиту Земли вокруг Солнца. Орбита Земли устойчива. Если Землю слегка толкнуть, то не случится ничего особенного. Однако если луч света хоть немного отклонится от своего идеального кругового пути на фотонной сфере, то он очень быстро уйдет по спирали либо внутрь чёрной дыры, либо обратно в космическое пространство. Самое ничтожное возмущение, куда бы оно ни было направлено - внутрь или наружу, уводит свет с фотонной сферы. Именно в этом смысле говорят о неустойчивости всех круговых орбит на фотонной сфере.

Наконец, те лучи света, которые нацелены почти прямо на чёрную дыру, «всасываются» в неё. Такие лучи навсегда уходят из внешнего мира - чёрная дыра их буквально поглощает.