Юлия Мизун - Мыслящая Вселенная

Более детальный анализ ситуации в рамках теории относительности Эйнштейна показывает, что реальная картина движения любого тела в окрестности черной дыры значительно сложнее. Прежде всего, тело может двигаться вокруг черной дыры по круговой орбите только на удалениях от ее центра, больших трех гравитационных радиусов. На этом расстоянии скорость тела составляет всего половину скорости света. Если тело будет находиться ближе к центру черной дыры, то его движение станет неустойчивым и оно сорвется со своей траектории. Неустойчивость в физике состоит в том, что малейшие возмущения, любые самые ничтожные толчки заставят вращающееся тело уйти со своей орбиты. В результате тело или упадет на черную дыру, или же улетит обратно в космическое пространство, все более и более удаляясь от черной дыры. Может реализоваться и третий вариант — тело будет захвачено черной дырой. По формуле Ньютона гравитационный захват одного небесного тела другим невозможен. Если одно тело приближается к другому, то опишет вокруг массивного тела параболу или гиперболу и снова улетит в космос. Правда, тут возможен и вариант, при котором тело наткнется на массивное тело, стукнется об него. Движение происходит в очень сильном поле тяготения черной дыры. Поэтому на самом деле характер движения изменится. Пока тело движется далеко от черной дыры, все остается по-старому, в согласии с формулой Ньютона. Но если тело пролетает достаточно близко от черной дыры, то его орбита искажается, она не является ни параболой, ни гиперболой. Тут все зависит от того, насколько тело приблизилось к черной дыре. Так, если оно оказалось вблизи двух гравитационных радиусов, то оно обернется вокруг черной дыры несколько раз и после этого улетит обратно в космос. Если же тело подойдет вплотную к сфере с радиусом, равным двум гравитационным радиусам, то орбита тела будет навиваться на эту сферу. Другими словами, тело будет захвачено черной дырой, и обратно в космос оно уйти не может. Если же тело проникло еще ближе к черной дыре, то оно просто-напросто упадет в черную дыру и, естественно, его можно также считать гравитационно захваченным.

Все сказанное выше относится к тому случаю, когда массивное тело (черная дыра) не вращается. Если же учесть вращение черной дыры, то описанная выше картина существенно изменится. Кстати, это следует только из теории Эйнштейна. Теория Ньютона этой разницы не замечает. Для нее важно только одно — масса тела, а вращается оно или нет — ей безразлично.

Что же изменяется в том случае, если черная дыра вращается? Вокруг любого тела при вращении возникает (создается вращением) так называемый гравитационный вихрь, добавочное вихревое гравитационное поле. Это поле увлекает за собой все тела, находящиеся в окрестности черной дыры, в круговое движение.

Несколько упрощенно можно представить себе, что слои пространства вокруг вращающегося массивного тела медленно вращаются вокруг этого вращающегося тела. Но это вращение пространства весьма своеобразно: угловая скорость вращения тем больше, чем ближе к вращающемуся телу. Если тело имеет обычную массу (как любая звезда), то этот эффект практически незаметен. Он проявляется у таких массивных тел, как черная дыра.

Описанный гравитационный вихрь можно реально замерить. Для этого можно использовать гироскоп, такой же, какой используют для ориентации космических кораблей. Вблизи вращающегося тела гироскоп медленно поворачивается. Угол поворота зависит от массы вращающегося тела. Так, для крохотной Земли за счет ее вращения гироскоп поворачивается примерно на десятую долю угловой секунды в год. Это, конечно, ничтожно мало. Но вокруг вращающейся черной дыры вращение гироскопа должно быть быстрым. Черная дыра образуется из нейтронной звезды, которая сжимается. Нейтронные звезды могут вращаться со скоростью в несколько десятков и более оборотов в секунду. Вблизи такой быстро вращающейся звезды гироскоп также будет вращаться очень быстро. Его угловая скорость вращения будет только в несколько раз меньше скорости вращения звезды. Другими словами, вблизи нейтронной звезды гироскоп будет совершать много оборотов в секунду.

Вращающаяся нейтронная звезда при максимальном сжатии (после коллапса) превращается во вращающуюся черную дыру. При этом гравитационный вихрь никуда не девается — он есть и у черной дыры. От чего зависит мощность этого вихря? Вихревое поле тяготения звезды определяется моментом импульса тела. Это произведение скорости вращения звезды, массы звезды и ее радиуса. Значит, гравитационный вихрь тем мощнее, чем больше масса звезды и ее радиус и чем быстрее она вращается.

Как скажется наличие гравитационного вихря на движении тел в окрестности черной дыры? Если бы черная дыра не вращалась, то ее граница представляла бы собой гравитационную сферу (сферу Шварцшильда). Все, что попадает внутрь этой сферы, оттуда никогда не возвращается. Эту сферу еще называют горизонтом (за ним ничего не видно — поэтому и «дыра»). Но на самом деле из-за вращения черной дыры все сложнее. Если при отсутствии вращения дыры на гравитационной сфере тяготение бесконечно большое, то в случае ее вращения оно становится бесконечно большим еще дальше от дыры. Это и понятно, поскольку вращение добавляет гравитацию. Ту сферу, на которой у вращающейся черной дыры тяготение превращается в бесконечность, называют эргосферой. Эта сфера тем больше, чем быстрее вращается черная дыра, чем больше ее гравитационный вихрь.

Если бы черная дыра не вращалась, то есть не имела гравитационного вихря, то тело, попавшее внутрь гравитационной сферы, сразу падало бы в дыру. Но поскольку черная дыра вращается, то тело, попавшее внутрь эргосферы, вовлекается во вращательное движение вокруг черной дыры. При этом оно не только не обязано падать к центру, но оно, вращаясь вокруг звезды, может как приблизиться к ней, так и удалиться от нее. Более того, оно может вынырнуть из-под эргосферы наружу, покинув опасную зону.

Мы говорили о том, что на гравитационной сфере сила притяжения становится бесконечно большой. Но это так только в том случае (гипотетическом), когда черная дыра не вращается. На самом деле черная дыра обязательно унаследует вращение от нейтронной звезды, поэтому у нее всегда есть гравитационный вихрь. Вот почему на гравитационной сфере, а точнее на эргосфере, гравитационная сила не становится бесконечной. Она остается конечной. Именно поэтому внутри эргосферы тело не обязано падать в черную дыру, оно может вращаться вокруг дыры и даже вынырнуть обратно из-под эргосферы. Поэтому если гравитационную сферу, из которой ничего обратно не возвращается в принципе, мы могли назвать границей черной дыры, то эргосферу считать такой границей нельзя, поскольку из-за этой границы тело может вернуться обратно, выйти наружу. Пространство между гравитационной сферой (горизонтом) и эргосферой является в смысле движения тел особым. Здесь все тела под действием силы тяготения вращаются вокруг черной дыры. Иногда это пространство называют эргосферой.