Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 52

Общая картина чёрной дыры при наблюдении под разными углами имеет одни и те же особенности. Однако при наблюдении под углом к её оси вращения видимое положение сингулярности оказывается сдвинутым в одну сторону ввиду вращения дыры. Когда астроном наблюдает дыру в её экваториальной плоскости (θ = 90° ), он видит сингулярность сбоку. В отличие от предыдущих случаов свет, обращающийся вокруг сингулярности в экваториальной плоскости, может «раскрутиться» наружу и попасть в телескоп далёкого астронома.

Если чёрная дыра вращается медленнее, чем с предельной скоростью, то вид её при наблюдении с направлений вне экваториальной плоскости в основном такой же, как у предельной керровской дыры. Однако при взгляде из экваториальной плоскости (θ = 90°) обнаруживаются некоторые новые детали. Чтобы понять их происхождение, следует обратить внимание на соответ ствующую диаграмму Пенроуза. На рис. 12.18 изображена диаграмма Пенроуза для керровской чёрной дыры при М > а.

РИС. 12.18. Диаграмма Пенроуза для керровской чёрной дыры с М > а. Если чёрная дыра вращается со скоростью меньше предельной, то свет от сингулярности, которая ограничивает вторую отрицательную Вселенную (Вселенную 2А), отражается изнутри чёрной дыры к удалённому астроному в нашей Вселенной.

В нашей Вселенной (Вселенная 3) астроном всё ещё наблюдает свет, приходящий как непосредственно из Вселенной 2, так и с ограничивающей её сингулярности. К нему продолжает поступать и отраженный свет из Вселенной 1 (предшествующей Вселенной с положительным пространством) и из отдалённого прошлого его собственной Вселенной. Однако, поскольку дыра вращается медленно, на диаграмме Пенроуза появляется ещё одна Вселенная с отрицательным пространством. Свет от сингулярности, ограничивающей эту добавочную отрицательную Вселенную (Вселенную 2А), также отражается изнутри дыры в сторону удалённого астронома. Таким образом, последний может видеть свет с сингулярности Вселенной 2А. Соответствующие лучи попадают к удалённому астроному лишь в том случае, если он находится в экваториальной плоскости чёрной дыры (θ = 90°). На рис. 12.19, основанном на расчётах Каннингэма, показан вид почти - предельной керровской чёрной дыры (а = 10% М). Вид этот почти такой же, как и в предельном случае (рис. 12.17, В), однако теперь виден свет от сингулярности, ограничивающей вторую отрицательную Вселенную. Свет от этой второй сингулярности появляется несколько левее в поле зрения и включает два небольших «крыла», слегка поднимающихся и опускающихся относительно экваториальной плоскости.

РИС. 12.19. Вид почти-предельной керровской чёрной дыры при θ = 90°. При наблюдении из экваториальной плоскости непредельной (М > а) вращающейся чёрной дыры астроном может видеть свет из второй отрицательной Вселенной (Вселенной 2А), отраженный к нему изнутри дыры.

На очереди - занимательное упражнение, героями которого будут отчаянные космонавты: что они увидят, ныряя во вращающуюся керровскую чёрную дыру и выныривая из неё? Рассмотрим сначала полёт «камикадзе». Два космонавта покидают нашу Вселенную и ныряют в непредельную керровскую чёрную дыру в её экваториальной плоскости. Направив свой космический корабль в экваториальной плоскости дыры, они понимают, что врежутся в сингулярность и будут разорваны бесконечно сильно искривлённым пространством-временем. И всё же они решаются...

РИС 12.20. Полёт «камикадзе». Здесь на диаграмме Пенроуза изображена мировая линия двух космонавтов, гибнущих в чёрной дыре. Космонавты ведут свой космический корабль в экваториальной плоскости непредельной керровской чёрной дыры ( М > а).

На рис. 12.20 приведена мировая линия этих космонавтов - самоубийц. Они направляются прямо к сингулярности в экваториальной плоскости. Согласно обозначениям, использованным в предыдущем случае, они начинают путешествие в нашей Вселенной (Вселенной 3). Как и астроном, наблюдающий чёрную дыру, космонавты могут видеть свет из Вселенной 2, Вселенной 2А и Вселенной 1. Кроме того, после пересечения внешнего горизонта событий они могут видеть Вселенную 4-Вселенную с положительным пространством, находящуюся на диаграмме Пенроуза напротив нашей Вселенной. Наконец, после пересечения внутреннего горизонта событий они увидят и Вселенную 5-ту Вселенную с отрицательным пространством, которую ограничивает роковая для них сингулярность. На рис. 12.20 изображены эти различные Вселенные и мировые линии, по которым распространяются характерные лучи света.

Для своего путешествия космонавты сконструировали специальный корабль. Их космический корабль снабжен двумя большими иллюминаторами (рис. 12.21). В каждый из них видно в точности половину небесной сферы. При конструировании корабля космонавты учли один важный факт: при вхождении в эргосферу эффект увлечения инерциальных систем должен вызвать быстрое вращение корабля. Для избежания этой помехи предусмотрены стабилизирующие ракетные двигатели, которые обеспечивают ориентацию носового иллюминатора всегда в сторону сингулярности, а кормового - всегда в сторону внешней Вселенной.

РИС. 12.21. Космический корабль, увлекающий космонавтов в дыру. Через каждый из двух иллюминаторов корабля видно в точности половину небесной сферы. Космический корабль оснащен стабилизирующими ракетными двигателями, чтобы носовой иллюминатор был всегда направлен на сингулярность, а кормовой - в прямо противоположную сторону.

В течение полёта космонавты делают парные фотоснимки, один из которых всегда запечатлевает вид вперёд, а другой вид назад, на разных характерных этапах падения космонавтов в дыру. На диаграмме Пенроуза (рис. 12.22) на мировой линии космонавтов отмечены точки, показывающие, где сделана каждая из семи пар фотографий.

РИС. 12.22. Точки, в которых производилось фотографирование. Космонавты делали по паре снимков (один из носового, другой - из кормового иллюминатора) в семи точках при своем спуске в дыру.

Астронавты погрузились в свой космический корабль и взлетели. Ещё будучи очень далеко от чёрной дыры, они сделали первую пару снимков (рис. 12.23,A). Поскольку пространство-время вокруг них было почти плоским, вид впереди очень похож на тот, который наблюдал астроном, спокойно устроившийся на Земле (ср. с рис. 12.19,A). Вид из кормового иллюминатора особого интереса не представляет: просто видно, откуда летят космонавты.

РИС. 12.23.

А: Вдали от чёрной дыры. Если смотреть издали на чёрную дыру, то вид в носовой иллюминатор такой же, как и наблюдаемый удалённым астрономом. В кормовой иллюминатор просто видна наша Вселенная.

Б: Внутри границ круговых орбит света. Оказавшись внутри границ круговых орбит света, космонавты наблюдают лучи, захваченные гравитационным полем чёрной дыры. Из кормового иллюминатора всё ещё видна только наша Вселенная, хотя вид объектов уже начинает искажаться.

В: Прямо над внешним горизонтом событий. По мере приближения космонавтов к внешнему горизонту событий, та область, которую занимает захваченный свет, растет, а область света из Вселенной 1 сокращается. Хотя через кормовой иллюминатор видна только наша Вселенная, вид её сильно искажён.