Юлия Мизун - Мыслящая Вселенная

Любопытно, что при этом происходит двойное покраснение света. Кроме описанного выше, происходит и покраснение света за счет того, что его источник удаляется от наблюдателя. Это хорошо известный эффект Доплера, благодаря которому определяют скорости излучающих источников.

Хотя время очень сильно замедляется для данного наблюдателя, он при образовании черной дыры видит свет все более покрасневшим и все меньшей интенсивности. Это значит, что сжимающаяся звезда становится невидимой. Ученые говорят, что ее яркость стремится к нулю. При этом ни в какие телескопы ее нельзя обнаружить. Важно и то, что для далекого наблюдателя потухание происходит практически мгновенно. Если бы начало сжиматься Солнце до размеров удвоенного гравитационного радиуса, то далекий наблюдатель зафиксировал бы, что Солнце потухло за время, равное стотысячной доле секунды.

В течение столетий и тысячелетий люди изучали небесные тела, наблюдая их в обычном свете. С развитием радиолокации астрономия пережила свое второе рождение: ученые стали видеть небесные тела с помощью радиоволн. Радиоастрономия многое прояснила в астрономии и астрофизике. Но исследовать черные дыры с помощью радиоволн, радиоастрономическими методами нельзя принципиально. Дело в том, что радиосигналы будут бесконечно долго двигаться к гравитационному радиусу и никогда не вернуться к наблюдателю, который их послал. Таким образом, сжавшаяся звезда для далекого наблюдателя полностью «исчезает». Остается только ее гравитационное поле. Основной вывод такой: далекий наблюдатель никогда не увидит то, что произойдет со звездой после ее сжатия до размеров, меньших гравитационного радиуса.

Рассмотрим подробнее, как меняется скорость течения времени по мере приближения к черной дыре. Мысленно расположим наблюдателей вдоль линии движения ракеты. Пусть ракета движется из вне к центру черной дыры. Более того, пусть на ракете будут отключены двигатели и она свободно падает к центру черной дыры. Назовем такое падение свободным. В процессе свободного падения ракета с выключенным двигателем будет проноситься вдоль расставленных нами наблюдателей. Скорость ракеты по мере приближения к черной дыре будет быстро увеличиваться. При падении к черной дыре с большого расстояния эта скорость равняется второй космической скорости. Когда падающее тело приближается к гравитационному радиусу, то скорость его падения стремится к световой. Темп течения времени на свободнопадающей ракете с ростом скорости уменьшается. Это уменьшение настолько значительное, что с точки зрения наблюдателя с любой неподвижной ракеты для того, чтобы падающий наблюдатель успел достичь гравитационной сферы, проходит бесконечный промежуток времени. По часам падающего с ракетой наблюдателя это время соответствует конечному промежутку. Значит, бесконечное время одного наблюдателя на неподвижной ракете равно конечному времени другого, который вместе с ракетой свободно падает на дыру.

Таким образом, по часам, которые установлены на сжимающей-ся звезде, она за конечное время сжимается до размеров гравитационного радиуса. Эта звезда будет продолжать сжиматься дальше к еще меньшим размерам. Но далекий наблюдатель этих последних событий никогда не увидит.

Что касается черной дыры, то она не может вращаться как угодно быстро. Если звезда вращается очень быстро, то она не может сжаться до нужных размеров и превратиться в черную дыру. Как результат вращения возникает центробежная сила, которая препятствует сжатию. При этом тело может сжиматься только вдоль оси, соединяющей полюса. Но так черная дыра получиться не может. Установлено, что максимально возможным вращение черной дыры станет тогда, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.

Из всего описания черных дыр ясно, что на них должно падать вещество из межзвездного пространства. Это вещество, прежде чем упасть в дыру, вращается вокруг нее. При этом происходит излучение гравитационных волн. Если черная дыра вращается, то легче всего она будет захватывать частицы, которые вблизи нее летят в сторону, противоположную вращению. Частицы, которые летят в сторону вращения, будут захватываться значительно сложнее. Другими словами, вихревая компонента гравитационного поля вокруг черной дыры действует по принципу ускорения и отбрасывания частиц, которые движутся мимо черной дыры в ту же сторону, что и закручивающийся вихрь этого поля. Одновременно тормозятся и захватываются частицы, которые движутся против гравитационного вихря.

Гравитационные волны играют очень важную роль. Так, в случае обращения тела по круговой орбите вокруг максимально быстро вращающейся черной дыры в виде гравитационных волн может излучиться энергии в семь раз больше, чем при движении вокруг невращающейся черной дыры.

Излучение гравитационных волн следует из теории относительности Эйнштейна. Гравитационные волны подобны электромагнитным волнам, которые оторвались от своего источника и распространяются в пространстве с предельно большей скорость — скоростью света. Одновременно гравитационные волны являются изменяющимся гравитационным полем, которое оторвалось от своего источника. Это поле летит в пространстве со скоростью света.

Главный вопрос состоит в том, как измерить гравитационные волны, тем более что они очень слабые. Как измерять электромагнитные волны — известно. Для этого достаточно взять электрически заряженный шарик и наблюдать за ним. Когда на этот шарик будет падать электромагнитная волна, он начнет колебаться. Гравитационные волны так обнаружить нельзя. Но можно взять два шарика и расположить их на некотором расстоянии друг от друга. Если на эти шарики будет падать гравитационная волна, шарики будут то несколько сближаться, то удаляться. Затем, измерив расстояние между шариками, можно получить параметры гравитационной волны. Дело в том, что два шарика подвергаются воздействию гравитационного поля чуть-чуть по-разному. Между шариками возникает относительное движение. Это движение и надо измерять.

Гравитационные волны излучаются при движении массивных тел с ускорением. Но даже при движении небесных тел излучение гравитационных волн ничтожно. Так, когда планеты движутся в Солнечной системе, излучаются гравитационные волны с энергией, которая равна всего лишь энергии сотни электрических лампочек. Это слишком мало. Измерить такое слабое гравитационное излучение пока что не удалось.

О существовании гравитационных волн можно судить по некоторым космическим явлениям. Так, гравитационные волны должны излучаться при движении звезд в двойных звездных системах. При этом гравитационные волны должны уносить энергию. Правда, эта энергия очень мала. Чем больше масса движущихся небесных тел и чем меньше расстояние между ними, тем интенсивнее излучение. Поскольку в системе двойной звезды энергия теряется на излучение гравитационных волн, то звезды постепенно сближаются, и в результате этого уменьшается период их обращения вокруг центра масс. Этот процесс очень медленный. Тем не менее с помощью специальных способов наблюдения такое уменьшение периода было измерено. Результаты измерений полностью соответствовали теории относительности Эйнштейна.