Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Условия внутри радиуса Шварцшильда черной дыры весьма экзотические. Роли координат пространства и времени там меняются. Например, в обычном мире время течет только в будущее, но в черной дыре оно может течь как вперед, так и назад. Зато в пространстве под радиусом Шварцшильда мы можем передвигаться лишь в одном направлении — только к центру черной дыры. Нашему мозгу не под силу представить такой мир, хотя математически построить его мы в состоянии.

Из-за сильного искривления пространства вблизи черной дыры время замедляется. Если бы мы смогли проследить за падающими на черную дыру часами, например — в телескоп, и если бы, падая, часы продолжали тикать, то мы увидели бы, что, приближаясь к черной дыре, они идут все медленнее. Наконец мы увидели бы, что на расстоянии радиуса Шварцшильда часы вообще остановились. Таким образом, удаленному наблюдателю время кажется застывшим на границе черной дыры. Но наблюдатель, падающий в черную дыру вместе с часами, не заметит в течении времени ничего особенного.

Это еще один пример отсутствия жесткого абсолютного времени; каждый наблюдатель видит течение времени по-своему.

Вблизи черной дыры странно ведут себя и лучи света. Они могут сильно изгибаться и даже наматываться вокруг черной дыры. Некоторые лучи навсегда исчезают в черной дыре. Нам трудно понять, что мы видим вблизи черной дыры, так как «обработка данных» нашего зрения предполагает, что лучи света должны распространяться прямолинейно. Порою даже небольшое отклонение от прямой линии, как это бывает при наблюдении миража, сбивает нас с толку.

Черные дыры имеют еще одну особенность, которую мы пока не упоминали. Они могут вращаться, причем даже очень быстро. Искривление пространства вокруг вращающейся черной дыры впервые вычислил математик из Новой Зеландии Рой Керр в 1963 году.

Вращение черной дыры проявляется как вращение близлежащего пространства: черная дыра тащит за собой пространство, как водоворот. В плоскости вращения скорость водоворота может быть очень высокой и достигать скорости света на радиусе Шварцшильда. Следовательно, неподвижное в этом пространстве тело будет выглядеть издалека как вращающееся вокруг черной дыры со скоростью света. Вдали от радиуса Шварцшильда черной дыры или вблизи обычного вращающегося объекта движение обращающегося по орбите тела будет испытывать сравнительно небольшое возмущение. Но вблизи черной дыры завихрение очень велико. Даже движение в обратную сторону со скоростью света не может спасти тело от втягивания его в круговое движение в направлении вращения черной дыры.

Для каждой черной дыры существует максимальная скорость, с которой она может вращаться. Критическая поверхность для черной дыры, вращающейся с максимальной скоростью, лежит на половине радиуса Шварцшильда от ее центра. Вне критической поверхности лежит область, называемая эргосферой, где скорость пространственного вихря превышает скорость света. При благоприятных обстоятельствах частицы могут поглощать немного вращательной энергии черной дыры в этой области и вылетать из нее, унося энергию с собой.

Обращение одного тела вокруг другого тела в пространстве легко можно понять. Но как понять, что само пространство вращается вокруг центрального тела? Это выходит за рамки здравого смысла.

Обычно мы думаем о пространстве как о жестком фоне, относительно которого мы измеряем движение. Но из общей теории относительности следует, что реальное пространство эластично, и это его свойство имеет наблюдательные проявления.

Увлечение пространства вокруг вращающихся тел долго оставалось лишь гипотезой, высказанной австрийскими физиками Джозефом Лензе и Гансом Тиррингом в 1918 году. До 2004 года не было возможности измерить этот эффект в пространстве, окружающем вращающуюся Землю. Изучая движение двух искусственных спутников Земли — LAGEOS I и II, группа под руководством Игнацио Куифолини из университета Лечче (Италия) и Эррикос Павлис (Мэрилендский университет) обнаружила, что плоскости орбит спутников поворачиваются примерно на два метра в год в направлении вращения Земли. Этот результат согласуется с прогнозом Лензе и Тирринга с точностью 10 %. Недавно запущенный спутник «Gravity Probe В», специально сконструированный в Стэнфордском университете и НАСА для измерения вращения пространства, сейчас пытается подтвердить этот результат.

Одним из явлений, связанных с эластичностью пространства, являются гравитационные волны — небольшие изменения кривизны пространства, распространяющиеся со скоростью света. Хотя американский физик Джозеф Вебер (1919–2000) еще в 1967 году утверждал, что открыл гравитационные волны, в действительности до сих пор нет прямого подтверждения их обнаружения.

На протяжении многих лет Вебер был единственным исследователем в этой области. Его детектор представлял собой 1,5-тонный алюминиевый цилиндр, подвешенный в вакуумном контейнере, изолированный от внешних воздействий, насколько это было возможно. Когда гравитационная волна пронизывает цилиндр, он начинает колебаться с характерной для него частотой. Амплитуда колебаний должна быть очень маленькой, не более 10–15см, или 1 % диаметра протона. Понятно, что очень трудно измерить такое крохотное расстояние. Более того, любые происходящие поблизости вибрации — от проходящего транспорта до землетрясения — тоже могут заставить цилиндр колебаться. Поскольку никто другой не смог обнаружить гравитационные волны, считается, что колебания Вебера были вызваны внешними толчками. Тем не менее ожидаемый эффект от этой пространственной ряби настолько мал, что наша неспособность обнаружить гравитационные волны вовсе не означает, что их не существует.

В новом типе детектора лазер измеряет расстояние между свободно подвешенными массами (зеркалами). Антенна LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационная обсерватория) в США состоит из двух таких детекторов, разделенных расстоянием в 1000 км. В отличие от локальных «шумов» каждого детектора, истинные гравитационные волны, проходящие через Землю, будут отмечены обоими детекторами (рис. 15.9). Похожая гравитационноволновая обсерватория VIRGO действует в Италии.

Рис. 15.9. Гравитационноволновая обсерватория LIGO в США: вид с воздуха на антенну в Хенфорде, состоящую из двух вакуумных труб протянувшихся каждая на 4 км от лаборатории. Такая же антенна работает в Ливингстоне. Фото: LIGO Laboratory.

К настоящему времени уже получены косвенные доказательства существования гравитационных волн. Двойная нейтронная звезда PSR 1913+16, судя по всему, излучает гравитационные волны. Наблюдения за движением звезд показывают, что эта двойная система теряет энергию, и ничем другим кроме излучения гравитационных волн это объяснить нельзя. Темп потери энергии хорошо согласуется с прогнозом общей теории относительности. Это совпадение рассматривают как подтверждение существования гравитационных волн, хотя излучение PRS 1913+16 прямо не удается измерить гравитационноволновыми антеннами.