Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 60

РИС. 14.3. Чёрная дыра. В случае шварцшильдовской чёрной дыры всё падающее на неё вещество и излучение проходят через горизонт событий и разрушаются, попадая в сингулярность.

РИС. 14.4. Белая дыра. Можно представить себе, как вещество и излучение в области пространства-времени вблизи сингулярности прошлого могут выйти в нашу Вселенную. Именно это и приводит к эффекту белой дыры.

Представим себе теперь вещество, выбрасываемое из области вблизи сингулярности прошлого, поднимающееся на некоторую высоту над чёрной дырой, а затем падающее опять на неё. Как показано на рис. 14.5, диаграмма Крускала-Секереша в принципе допускает такой процесс, поскольку мировые линии вещества повсюду временноподобны. Объект с таким поведением именуется серой дырой.

РИС. 14.5. Серая дыра. Аналогично рис. 14.4 вещество из области вблизи сингулярности прошлого может вырваться в нашу Вселенную, но лишь затем, чтобы снова упасть в дыру и встретиться с сингулярностью будущего.

Если представление о чёрной дыре появилось из исследования эволюции звёзд, то идея о серой дыре или белой возникла чисто математически в связи с решением Шварцшильда. Но следует ли нам принять на веру возможность реального существования во Вселенной - наряду с машинами времени - белых дыр и серых дыр?

Представим себе умирающую массивную звезду, при коллапсе которой образуется чёрная дыра. Первоначально сингулярности не было; отсутствовал и горизонт событий. Поэтому ни сингулярности прошлого, ни горизонта событий в прошлом быть не могло. Имеются только горизонт событий в будущем и сингулярность будущего, так как чёрная дыра формируется в будущем - после смерти звезды. Иными словами, как показано на рис. 14.6, область, занятая веществом звезды, «вырезает» значительную часть диаграммы Крускала - Секереша. И только выше поверхности звезды пространство-время достаточно верно описывается решением Шварцшильда. Поэтому, если это решение применять с учётом реалистических ограничений, серых и белых дыр существовать не должно. У коллапсирующей звезды, превращающейся в шварцшильдовскую чёрную дыру, попросту нет сингулярности прошлого или горизонта событий в прошлом. Нет и «другой Вселенной».

РИС. 14.6. Образование чёрной дыры. Когда умирающая звезда коллапсирует, образуя шварцшильдовcкую чёрную дыру, большая часть диаграммы Крускала-Секереша «вырезается» веществом звезды.

Но хотя анализ процессов, происходящих при умирании звёзд, исключает возможность образования шварцшильдовских как серых, так и белых дыр, трудности ещё не исчерпаны. Как уже неоднократно отмечалось, реальные звёзды вращаются, а следовательно, из них должны возникать керровские чёрные дыры. Полная структура пространства-времени керровской чёрной дыры представлена на диаграмме Пенроуза, где сингулярности временноподобны. Если представить себе, что реальная звезда коллапсирует, образуя керровскую чёрную дыру, то из рассмотрения выпадут большие участки пространства-времени, которые находятся над поверхностью звезды. И всё же, как видно из рис. 14.7, подобная звезда, дающая чёрную дыру в одной Вселенной, может проявляться как белая дыра в другой Вселенной. Вследствие временноподобного характера сингулярности звезда может, коллапсируя в одной Вселенной, расширяться в другую Вселенную. Поэтому представляется, что решение Керра (как и решение Райснера-Нордстрёма, также имеющее временноподобные сингулярности) допускает возможность существования белых дыр.

РИС. 14.7. Керровская белая дыра. При образовании вращающейся чёрной дыры в нашей Вселенной могла бы появиться и белая дыра в другой Вселенной.

Представление о шварцшильдовских белых дырах было возрождено в середине 1960-х годов советским учёным И. Д. Новиковым. Хотя шварцшильдовские белые дыры не могут образоваться при смерти звёзд, они могут быть, по мысли Новикова, связаны с рождением наблюдаемой нами Вселенной. Большинство астрономов считают, что начало Вселенной определилось чудовищным взрывом первичного бесконечно плотного состояния. Иначе говоря, вся Вселенная, наблюдаемая нами, должна была представлять собой одну гигантскую сингулярность, которая по неизвестной нам причине вдруг взорвалась. Допустим, что какие-то отдельные области не приняли участия в этом всеобщем расширении Вселенной, иными словами, по какой-то причине небольшой «кусочек» первичной сингулярности сумел сохраниться, не расширяясь, в течение очень длительного времени. Когда же подобный «отсталый элемент» начал, наконец, расширяться, он должен проявлять все свойства белой дыры. Такой отсталый элемент - в буквальном смысле кусочек сингулярности прошлого (Большого Взрыва), из которой в нашу Вселенную вторглись вещество и излучение. Мысль о том, что маленькие кусочки Большого Взрыва могли сохраниться в течение длительного времени, привела Новикова к предположению о возможности существования шварцшильдовских белых дыр.

Проблема шварцшильдовских белых дыр рассматривалась Д. М. Эрдли в Калифорнийском технологическом институте в начале 1970-х годов. Эрдли понимал, что если от Большого Взрыва и сохранились «отсталые» элементы, то они должны выглядеть как кусочки сингулярности прошлого, а поэтому их должен окружать горизонт событий в прошлом (рис. 14.8). Но что нам известно о горизонте событий? В обычных чёрных дырах горизонт событий соответствует остановке времени с точки зрения удалённого наблюдателя. Для такого наблюдателя свет, приходящий из окрестностей горизонта событий, испытывает сильнейшее красное смещение. Грубо говоря, свет из окрестностей горизонта событий затрачивает очень много энергии, выбираясь из области сильного гравитационного поля, окружающего обычную чёрную дыру. Обратно, если свет падает в чёрную дыру, он должен приобретать много энергии. Падающий внутрь дыры свет должен испытывать сильное фиолетовое смещение.

РИС. 14.8. «Спящий зародыш». Если «кусочек» Большого Взрыва не стал расширяться вместе со всей Вселенной, то он мог бы проявить себя позднее в виде шварцшильдовской белой дыры.

Представим себе на мгновение очень ранний этап эволюции Вселенной. Если Большой Взрыв действительно имел место, то Вселенная первоначально должна быть чрезвычайно горячей. При чудовищных температурах в триллионы градусов Вселенная должна была заполняться мощнейшим излучением. Если от Большого Взрыва остались «спящие зародыши», то такое излучение (а оно уже было очень сильным) должно подвергаться сильнейшему фиолетовому смещению при падении на горизонт событий, окружающий эти зародыши. Вокруг каждого «спящего зародыша» накапливалось грандиозное количество крайне мощного излучения. Иначе говоря, на диаграмме Пенроуза свет, идущий от F^-, собирается вблизи горизонта событий прошлого, образуя фиолетовый слой. Через очень короткое время в фиолетовом слое собирается так много света, что его энергия (и связанная с ней масса) сама начинает сильно искривлять пространство-время. Согласно расчётам Эрдли, свет, собирающийся вокруг «спящих зародышей», настолько сильно искривляет пространство-время, что вокруг потенциальной белой дыры образуется чёрная дыра. Как показано на рис. 14.9, при этом образуются горизонт событий в будущем и сингулярность. Такое превращение потенциальной белой дыры в чёрную дыру происходит примерно за 1/1000 с. Значит, если какие-либо «спящие зародыши» и существовали, они должны были превратиться в чёрные дыры вскоре после рождения нашей Вселенной.