Занимательная астрофизика

Из этого следует, что на еще более близком расстоянии круговое движение вообще оказывается невозможным — ведь для его поддержания потребовалась бы сверхсветовая скорость.

В действительности круговое движение оказывается невозможным уже даже на расстоянии 3r_g, так как на подобном расстоянии движение по окружности вокруг черной дыры является неустойчивым. Это значит, что сколь угодно малые возмущения должны привести к тому, что тело покинет круговую орбиту и либо упадет в черную дыру, либо улетит от нее. Впрочем, прежде чем это произойдет, тело может совершить большое число оборотов вокруг черной дыры.

Одной из причин, которая может заставить тело, обращающееся вокруг черной дыры, покинуть круговую орбиту, является излучение уже знакомых нам (см. гл. I) гравитационных волн, существование которых предсказано ОТО. Согласно этой теории, гравитационные волны должны возникать при любом ускоренном движении тел и уносить определенное количество энергии. При обычных взаимных движениях астрономических тел, происходящих в соответствии с законом тяготения Ньютона, излучение гравитационных волн обладает чрезвычайно слабой интенсивностью. Однако при круговом движении тела вокруг черной дыры на достаточно близком расстоянии от нее оно становится существенным. Теряя энергию на гравитационное излучение, тело будет постепенно приближаться к черной дыре и, достигнув расстояния, равного 3r_g, окажется на неустойчивой орбите. Дальнейшее излучение гравитационных волн приведет к тому, что тело сойдет с круговой орбиты и «провалится» в черную дыру.

В рамках теории тяготения Ньютона захват в системе двух тел, как уже было отмечено в предыдущем разделе, невозможен. Тело, приближающееся извне к некоторой массе, обладающей гравитационным полем, должно либо упасть на нее, либо пройти мимо неё по гиперболе или параболе. Иная картина возникает в том случае, если какое-либо тело приближается со стороны к черной дыре со скоростью, значительно уступающей скорости света. Если при этом оно подойдет к окружности, радиус которой равен 2r_g, то прежде, чем улететь обратно в космос, это тело совершит вокруг черной дыры большое число оборотов — произойдет как бы «временный захват». Но может произойти и полный — в том случае, если движущееся тело подойдет к окружности с радиусом 2r_g вплотную. При такой ситуации орбита движущегося тела будет неограниченно навиваться на эту окружность.

Итак, черные дыры — это объекты, радиус которых равен гравитационному радиусу для данной массы. Иначе можно сказать, что все вещество черной дыры находится внутри сферы Шварцшильда. Поэтому эффекты ОТО играют для таких объектов решающую роль. В столь сильных гравитационных полях свойства пространства описываются уже не привычной нам евклидовой геометрией, а так называемой римановой геометрией, в которой хорошо знакомые нам геометрические соотношения оказываются недействительными.

В области черных дыр совершенно необычным образом протекают и временные процессы. Согласно общей теории относительности, в сильных гравитационных полях течение времени замедляется. Поэтому ход физических процессов в черной дыре и вблизи нее для наблюдателя, находящегося на большом расстоянии в обыкновенной среде, и для наблюдателя «вблизи» и «внутри» черной дыры будет выглядеть по-разному. Для внешнего наблюдателя процесс сжатия коллапсирующего вещества будет протекать бесконечно длительное время. А момента вхождения массы «под» гравитационный радиус он вообще не дождется, так как вблизи границы черной дыры время останавливается.

Иную картину увидел бы воображаемый наблюдатель, падающий вместе с веществом в черную дыру. Он за конечный промежуток времени достиг бы гравитационного радиуса и продолжал падение к центру черной дыры.

Таким образом, ход времени вне черной дыры и внутри нее оказывается качественно различным. С точки зрения обычной «земной» логики и здравого смысла, опирающегося на круг явлений, привычных для человека и протекающих в привычной для него среде обитания, эти рассуждения о неодинаковом ходе времени могут показаться странными и противоречивыми. Тем не менее они соответствуют реальности.

Еще одно принципиальное отличие между теорией тяготения Ньютона и ОТО состоит в следующем. С точки зрения классической теории гравитационное поле центральносимметричного тела, например шара, не зависит от того, неподвижен этот шар или он вращается. Другими словами, в классической физике поле тяготения полностью определяется распределением масс в данный момент.

Иначе обстоит дело в гравитационной теории Эйнштейна. Как мы уже знаем, при отсутствии вращения сила тяготения обращается в бесконечность на сфере Шварцшильда. Однако, если черная дыра (будем для простоты считать ее сферической) вращается, то обращение силы тяготения в бесконечность происходит на некоторой поверхности, охватывающей сферу Шварцшильда. Эта поверхность получила название границы эргосферы, а пространство, заключенное между нею и сферой Шварцшильда, называется эргосферой.