Мыслящая Вселенная - Мизун Юрий Гаврилович - Страница 37

Если Солнце искривляет лучи света, то тем более их искривляет супермассивная черная дыра. Ясно, что чем ближе к черной дыре, тем сильнее искривление светового луча. По сути, со световым лучом вблизи черной дыры происходит то же, что происходит с движущимся телом. Так, если световой луч, двигаясь по касательной, достиг расстояния от центра черной дыры, равного полтора гравитационных радиуса, то он будет накручиваться вокруг черной дыры. Фотоны удерживаются на круговой траектории мощным тяготением черной дыры. Но фотоны, как и тела, движутся здесь неустойчиво. В результате малейшее воздействие на них столкнет их с круговой траектории. При этом они дальше или упадут на черную дыру и оттуда больше не выберутся, или же устремятся от черной дыры обратно в космос. Таким образом, можно говорить, что при указанных условиях световой луч может быть гравитационно захваченным черной дырой.

Но со световым излучением вблизи черной дыры происходит и изменение частоты этого излучения, о чем было сказано выше. Чем больше частота колебаний данного излучения, тем больше его энергия, энергия кванта этого излучения, энергия одного фотона. Попадая в суперсильное поле тяготения, фотоны теряют свою энергию, то есть уменьшают свою частоту колебаний. Цвет излучения однозначно связан с его частотой. Поэтому можно сказать, что в сильном поле тяготения свет меняет свой цвет. Если свет приближается к черной дыре, то его энергия уменьшается, значит, уменьшается его частота колебаний. Что касается цвета, то при этом происходит «покраснение» света. Если же свет удаляется от черной дыры, то энергия фотонов увеличивается, то есть цвет излучения «голубеет». Все эти изменения частоты излучения, а значит, и его цвета заметны только в области очень сильного поля притяжения, то есть вблизи гравитационного радиуса.

Согласно теории относительности в условиях суперсильного гравитационного поля течение времени замедляется. Таким образом, далекий от черной дыры наблюдатель увидит протекающие там процессы в замедленном темпе. Если далекий наблюдатель следит за падением тела в черную дыру, то, поскольку скорость течения времени замедляется, этот наблюдатель будет видеть замедленные процессы. Так, он увидит, что тело, падающее на черную дыру, по мере приближения к гравитационному радиусу будет постепенно тормозиться и к гравитационной сфере приблизится только через бесконечно долгое время. Точно так же этот далекий наблюдатель будет видеть процесс образования черной дыры в результате сжатия вещества. Он будет констатировать, что образование черной дыры происходит бесконечно долго, поскольку сжимающееся вещество практически застывает на удалении гравитационного радиуса. На самом деле оно не застывает, а замедляются темпы течения времени. Любопытно, что на первых порах ученые называли черные дыры застывшими звездами. На самом деле далекий наблюдатель не сможет наблюдать данный процесс бесконечно долго. События будут развиваться так. По мере сжимания вещества и приближения его поверхности к гравитационной сфере наблюдатель будет видеть все более и более покрасневший свет сжимающейся звезды. Это несмотря на то, что на самой звезде продолжают рождаться обычные (не покрасневшие) фотоны. Наблюдатель же видит «покрасневшие» фотоны, которые приходят к нему все реже и реже. Интенсивность света падает.

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.