Космические рубежи теории относительности

Одно из самых удивительных свойств эргосферы было открыто в 1969 г. Роджером Пенроузом. Пенроуз выполнил расчёт движения тела, падающего в эргосферу вращающейся чёрной дыры и распадающегося там на две части. Он предположил, что одна часть падает под горизонт событий (и поэтому теряется навсегда), а другая отскакивает обратно в нашу Вселенную. Этот процесс изображен на рис. 11.5. Разумеется, возвращающаяся обратно часть будет меньше, чем первоначальное тело. И всё же если это тело двигалось точно с нужной скоростью и в нужном направлении, то энергия выброшенной части может стать намного больше энергии первоначального объекта. В результате чёрная дыра станет вращаться немного медленнее. Таким образом от вращающихся чёрных дыр можно получить большое количество энергии: с помощью рассмотренного здесь механизма Пенроуза часть энергии вращения дыры может быть передана выбрасываемому из эргосферы веществу.

РИС. 11.5. Механизм Пенроуза. Если влетающая в эргосферу частица распадается там на две части, то часть, выбрасываемая назад из эргосферы, может вынести огромное количество энергии. Захваченная часть тела опускается под горизонт событий и «заглатывается» чёрной дырой. При этом некоторая доля энергии вращения дыры передаётся выбрасываемой частице. (По Дж. Уилеру.)

К астрономическим следствиям этого явления мы обратимся в одной из следующих глав, а сейчас обрисуем научно-фантастическое приложение механизма Пенроуза. Допустим, что некая высокоразвитая цивилизация обнаружила в космосе вращающуюся чёрную дыру и построила вокруг этой дыры город (рис. 11.6). В городе запущена лента конвейера, уходящая в эргосферу, но повсюду остающаяся выше горизонта событий. Круглосуточно грузовики - мусоровозы собирают в городе все отбросы и перегружают их в контейнеры, расположенные на ленте конвейера. Конвейер уносит их в эргосферу, где весь мусор сбрасывается под горизонт событий. Вытряхивание мусора из контейнеров и есть, по сути, распад объекта на две части. Так как мусор поглощается чёрной дырой, то каждому контейнеру передаётся некоторая доля энергии вращения дыры. Поэтому лента конвейера испытывает мощное ускорение при каждом сбрасывании её движение становится всё более быстрым. Жители города вокруг чёрной дыры подключили к ленте конвейера генератор и получают от него огромное количество энергии!

РИС. 11.6. Город, не загрязняющий окружающую среду. Когда мусор из контейнеров выбрасывается с ленты конвейера в эргосфере, лента конвейера испытывает ускорение. Если присоединить к ней электрогенератор, то можно использовать энергию, извлеченную из чёрной дыры. (По Мизнеру, Торну и Уилеру.)

Другое приложение механизма Пенроуза, хотя и менее фантастическое, но столь же удивительное, было найдено в начале 1970-х годов рядом астрофизиков, в том числе Прессом и Тьюкольским. Подобно тому как частицы могут извлекать энергию из вращающейся чёрной дыры при пролёте через её эргосферу, может быть усилено и излучение, проходящее мимо такой дыры. Это явление называется сверхизлунательным рассеянием. Для иллюстрации представим себе чёрную дыру, окруженную сферическим зеркалом, как на рис. 11.7. Направим луч света на дыру через небольшое отверстие в зеркале. При многократном отражении в сферическом зеркале свет способен извлекать из чёрной дыры всё большее количество энергии, а чёрная дыра постепенно замедляет вращение. В итоге через отверстие в окружающем дыру зеркале начинает выходить большое количество излучения - получается почти неисчерпаемый источник энергии. Однако если сразу после поступления первоначального луча отверстие в зеркале заделать, то излучению будет некуда выходить. Постоянно встречаясь со сферическим зеркалом и отражаясь от него, излучение будет становиться всё более мощным при каждом прохождении через эргосферу. Поэтому зеркало будет подвергаться всё более сильному давлению излучения изнутри, пока напряжения в нём не станут столь велики, что зеркальная сфера взорвется, высвобождая огромное количество накопленной им энергии. Таков механизм чернодырной бомбы!

РИС. 11.7. Сверхизлучательное рассеяние. Проходящий вблизи вращающейся чёрной дыры свет усиливается. Если окружить такую чёрную дыру сферическим зеркалом, то Излучение можно усилить практически неограниченно. Если в зеркале не будет никаких отверстий, то может произойти такое усиление света, что он разорвет на части зеркало и получится чернодырная бомба.

Помимо того что над вращающейся чёрной дырой происходят столь необычные вещи, решение Керра таит ещё более удивительные неожиданности в «перекошенном» пространстве-времени вблизи сингулярности. В некоторых отношениях геометрия вращающихся чёрных дыр напоминает геометрию заряженных чёрных дыр. Поэтому дальше в этой главе будет много общего с анализом решения Райснера-Нордстрёма, проведенным в гл. 10.