Читать интересную книгу Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

Свидетельства присутствия подобной черной дыры в нашем Млечном Пути (к 1993 г.) пока неоднозначны и далеко не прочны. Одно из ключевых мест этих свидетельств заключается в орбитальном движении облаков газа вблизи центра нашей галактики. Инфракрасные наблюдения этих облаков, проведенные Чарльзом Таунсом с коллегами из Университета Калифорнии в Беркли, показали, что облака обращаются вокруг объекта, имеющего массу около 3 миллионов солнечных масс, а радионаблюдения открыли очень характерный, хотя и не слишком сильный, радиоисточник на месте этого центрального объекта — радиоисточник на удивление малого размера, не больше нашей Солнечной системы. Это как раз те данные наблюдений, которые можно было бы ожидать от неподвижной черной дыры в 3 миллиона солнечных масс с тонким аккреционным диском, но они также легко могут быть объяснены и по-другому.

•к к к

Возможность того, что гигантские черные дыры могут существовать и населять ядра галактик, стала оглушительным сюрпризом для астрономов. Однако ретроспективно нетрудно понять, как они могли бы там формироваться.

В любой галактике, если две звезды проходят близко друг к другу, гравитационные поля сначала их разворачивают, а затем разбрасывают в направлениях отличных от первоначального. (Тот же поворот и последующий разлет изменяет орбиты космических аппаратов NASA при их встрече с планетами, например с Юпитером.) При развороте и разлете одна из звезд обычно улетает внутрь, к центру галактики, а другая наружу, от центра. Суммарный эффект многих подобных разворотов и разлетов состоит в перемещении некоторых звезд галактики глубже к ядру. Точно так же оказывается, что совокупным эффектом трения галактического межзвездного газа является смещение его значительной части к ядру галактики.

Чем больше газа и звезд накапливается в ядре, тем сильнее становится гравитация агломерата. В конечном счете, гравитация агломерата может стать настолько прочной, что сокрушит внутреннее давление, и агломерат начнет схлопываться с образованием гигантской черной дыры. Кроме того, массивные звезды в агломерате могут схлопываться по отдельности, образуя меньшие дыры, и эти малые дыры могут сталкиваться друг с другом, с другими звездами и газом, образуя все большие и большие дыры, пока не сформируется единственная гигантская дыра, доминирующая в ядре. Оценки времени, требующегося для таких схлопываний, столкновений и слияний, показывают, что возможно (но не обязательно), что большинство галактик уже успели вырастить в своих ядрах гигантские черные дыры.

Если бы астрономические наблюдения настоятельно не показывали, что ядра галактик населены гигантскими черными дырами, то астрофизики даже сегодня, вероятно, не предсказали бы их. Однако так как наблюдения действительно свидетельствуют о существовании гигантских черных дыр, астрофизики легко приспособились к этому факту. Этот показательный пример свидетельствует о том, насколько плохо мы в действительности понимаем процессы, происходящие в ядрах галактик.

приблизительно равную 50 миллионам километров, или 200 световых секунд — около одной десятой окружности орбиты Земли вокруг Солнца. Это ничтожный размер по сравнению с размером самой галактики. Наша Земля вместе с Солнцем обращается вокруг центра галактики по орбите с окружностью 200000 световых лет, что приблизительно в 30 миллиардов раз больше, чем окружность дыры. Если бы дыра проглотила, в конечном счете, большую часть массы галактики, ее окружность распухла бы только приблизительно до 1 светового года, что все еще в 200000 раз меньше, чем наша орбита.

Конечно, примерно через 1018 лет (в 100 миллионов раз больше возраста Вселенной), которые потребуются центральной дыре для поглощения большей части массы нашей галактики, орбиты Земли и Солнца сильно изменятся. Невозможно предсказать детали этих изменений, поскольку мы не знаем положения и движения всех тех других звезд, с которыми могут столкнуться Солнце и Земля в течение 1018 лет. Таким образом, мы не можем предсказать, окажутся ли Земля и Солнце, в конечном счете, в центральной черной дыре галактики или будут выброшены прочь из галактики. Однако мы можем быть уверенными, что, если Землю, в конечном счете, проглотит дыра, это падение случится в будущем примерно через 1018 лет, и за это время Землю и человечество почти наверняка смогут постигнуть многие другие катастрофы.

РЯБЬ КРИВИЗНЫ

глава, в которой гравитационные волны несут к Земле закодированные симфонии столкновений черных дыр, а физики изобретают инструменты, чтобы следить за этими волнами и расшифровывать эти симфонии

Симфонии

В ядре удаленной галактики за миллиард световых лет от Земли и миллиард лет тому назад образовался плотное скопление из газа и сотен миллионов звезд. Скопление постепенно сжималось, поскольку то одна, то другая звезда выскакивала наружу, а оставшиеся 100 миллионов еще плотнее сбивались в центре. После 100 миллионов лет скопление сжалось до размера в несколько световых лет, и маленькие звезды начали иногда сталкиваться и сливаться, формируя большие звезды. Большие звезды потребляли их топливо и затем схлопывались, образуя черные дыры, а черные дыры, пролетая вблизи друг друга, иногда объединялись в пары и начинали обращаться вокруг друг друга.

Рисунок 10.1 показывает вложенные диаграммы для одной такой двойной черной дыры. Каждая дыра создает глубокую яму (сильное искривление пространства-времени) во вложенной поверхности, и поскольку дыры обращаются вокруг друг друга, вращающиеся ямы производят рябь кривизны, которая начинает распространяться во все стороны со скоростью света. Рябь формирует разворачивающуюся спираль в материи пространства-времени вокруг двойной системы, напоминающую струи воды от быстровращающегося разбрызгивателя на лужайке.

Так же как каждая капля воды летит от разбрызгивателя в сторону почти по радиусу, так и каждый кусочек кривизны летит в сторону от черных дыр почти по радиусу; и так же как летящие в стороны капли

10.1. Вложенная диаграмма, изображающая искривление пространства в плоскости орбиты двойной системы, образованной двумя черными дырами. В центре — две ямы, которые представляют сильное искривление пространства-времени вокруг двух дыр. Эти ямы — такие же, как и те, с которыми мы сталкивались на предыдущих вложенных диаграммах черных дыр, например, на рис. 7.6. Поскольку дыры обращаются относительно друг друга, они создают распространяющуюся во все стороны рябь кривизны, называемую гравитационными волнами. [Предоставлено Проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

все вместе образуют спиральные струи воды, так и все кусочки кривизны вместе формируют спиральные хребты и долины в ткани пространства-времени.

Так как кривизна пространства-времени — это то же самое, что гравитация, рябь кривизны является фактически волнами гравитации, или гравитационными волнами. Общая теория относительности Эйнштейна недвусмысленно предсказывает, что такие гравитационные волны должны появляться всякий раз, когда две черные дыры начинают обращаться вокруг друг друга, так же как и вообще в случае обращения вокруг друг друга двух любых звезд.

Улетая в окружающее пространство, гравитационные волны толкают дыры к центру, аналогично тому, как пуля дает отдачу стреляющему ружью. Отдача волн приводит к сближению черных дыр и к ускорению их обращения, т. е. она заставляет их двигаться друг к другу по медленно закручивающейся внутрь спирали. Закручивающаяся спираль постепенно высвобождает гравитационную энергию, одна половина которой уходит в волны, а другая в увеличение орбитальных скоростей черных дыр.

10.2. Вложенные диаграммы, изображающие кривизну пространства вокруг двойной системы, состоящей из двух черных дыр. Диаграммы были дополнительно разрисованы художником, чтобы создать ощущение движения. Каждая следующая диаграмма показывает более поздний момент времени в процессе сближения двух дыр по скручивающейся спирали. На диаграммах (а) и (б) горизонты дыр — круги у основания ям. Горизонты сливаются как раз перед диаграммой (<?), образуя единый, имеющий форму гантели горизонт. Вращающаяся гантель испускает гравитационные волны, которые уносят ее деформацию, оставляя позади гладкую вращающуюся черную дыру Керра на диаграмме (г). [Предоставлено Проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

Спиральное обращение черных дыр происходит сначала медленно, но чем ближе дыры подходят друг к другу, тем быстрее они движутся, тем интенсивнее порождаемая ими рябь кривизны, тем быстрее они теряют энергию и тем быстрее происходит скручивание спирали (рис. 10.2а, б). В конечном счете, когда каждая дыра приобретает скорость, почти равную скорости света, их горизонты соприкасаются и сливаются. Там, где ранее было две дыры, теперь остается только одна быстро вращающаяся гантелевидная дыра (рис. .2в). При вращении этого гантелевидного горизонта излучается рябь кривизны, и эта рябь толкает утолщения к центру дыры, постепенно сближая концы гантели, пока они не исчезают (рис. 10.2г). Горизонт вращающейся дыры становится совершенно гладким и круглым в экваториальном поперечном сечении, в точном соответствии с формой, следующей из решения уравнения поля Эйнштейна, полученного Керром (глава 7).