Космические рубежи теории относительности

Вспомним, что у шварцшильдовской чёрной дыры имеется сингулярность, окруженная одним-единственным горизонтом событий. Такова простейшая из чёрных дыр. Чёрная дыра без вращения сферически симметрична -она одинакова во всех направлениях. Однако при «включении» вращения свойства чёрной дыры уже оказываются неодинаковы во всех направлениях: существуют некие «привилегированные» направления. Ось вращения, вокруг которой крутится чёрная дыра, непохожа на все другие направления. Экваториальная плоскость дыры (она рассекает её на симметричные половины перпендикулярно оси вращения) тоже непохожа на все другие плоскости. Короче говоря, в разных направлениях свойства вращающейся чёрной дыры различны. Ввиду вращения такой чёрной дыры вокруг некоторой оси решение Керра называют осесимметричным (или аксиальносимметричным).

Самые фундаментальные изменения в зависимости от направления во вращающейся чёрной дыре связаны с сингулярностью. Сингулярность - это всегда то место внутри чёрной дыры, где искривление пространства-времени бесконечно велико. Как в шварцшильдовской чёрной дыре, так и в чёрной дыре Райснера-Нордстрёма сингулярность представляет собою точку в центре дыры. Однако когда чёрная дыра ещё и вращается, то природа сингулярности резко меняется. В керровской чёрной дыре сингулярность - это кольцо в середине дыры. Такая кольцевая сингулярность лежит в экваториальной плоскости вращающейся чёрной дыры: центр кольца находится на оси вращения, а само кольцо перпендикулярно оси. Если чёрная дыра не вращается (т. е. это решение Шварцшильда или Райснера-Нордстрёма), то всякий, направляющийся к центру дыры, наталкивается на сингулярность. Однако в случае вращающейся чёрной дыры в сингулярность попадает только тот космонавт, который летит к дыре в экваториальной плоскости. Кривизна пространства-времени становится бесконечной лишь при подходе со стороны экваториальной плоскости. Двигаясь под любым иным углом, а не в экваториальной плоскости, космонавт не заметит бесконечного искривления пространства-времени. Космонавт, приближающийся к центру керровской чёрной дыры под любым отличным от нуля углом к экваториальной плоскости, не будет непременно разорван на части бесконечно большими приливными силами.

Такой кольцевой характер керровской сингулярности - поистине изумительное свойство вращающихся чёрных дыр. Он означает, что космонавт, летящий к центру керровской чёрной дыры, может пройти невредимым сквозь это кольцо (рис. 11.8). Проскочив сквозь кольцевую сингулярность, космонавт попадает в совершенно новую и странную область пространства-времени, с какой мы ещё не встречались. Это -отрицательное пространство. Вопреки тому, что говорилось в предыдущих главах, космонавт, пройдя сквозь кольцевую сингулярность, оказывается на отрицательном расстоянии от центра чёрной дыры. Так можно оказаться в «минус десяти километрах» от дыры!

РИС. 11.8. Сингулярности. В чёрных дырах, соответствующих решениям Шварцшильда и Райснера-Нордстрёма, сингулярность точечная. С какой бы стороны вы ни летели к центру такой дыры, вас ждет гибель. Однако сингулярность керровской чёрной дыры - это кольцо, сквозь которое космонавт может попасть в отрицательную Вселенную (в мир антигравитации).

Некоторые физики отвергают саму мысль об отрицательном расстоянии. В поисках другого истолкования этой новой области они обнаружили, что здесь реализуются все свойства антигравитации - по «другую сторону» кольцевой сингулярности тяготение превращается в отталкивание. В этой области пространства-времени чёрная дыра отталкивает и вещество, и лучи света. Поэтому говорят об отрицательной Вселенной или о мире антигравитации. Существование миров антигравитации самое удивительное свойство вращающихся чёрных дыр в отличие от дыр заряженных.

Несмотря на резкое различие сингулярностей вращающихся и заряженных чёрных дыр, поведение горизонтов событий в обоих случаях вполне аналогично. При появлении хотя бы небольшого вращения (М >> а) в непосредственной близости к сингулярности появляется второй горизонт событий. При дальнейшем росте момента количества движения (когда М > а) внутренний горизонт событий расширяется, а внешний сжимается. Когда же чёрная дыра вращается с такой скоростью, что М = а, оба горизонта сливаются в один. Этот случай часто называют предельной керровской чёрной дырой. Если же удаётся ещё ускорить вращение (М < а), то всякие горизонты событий исчезают, и у нас остаётся - в нарушение закона космической этики - «голая» кольцевая сингулярность. На рис. 11.9 приведена последовательность схем, изображающих типичное расположение горизонтов событий у чёрных дыр с одной и той же массой, но с разными скоростями вращения.