10554-1 (707257), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Существуют некоторые решения уравнений общей теории отно-сительности, которые позволяют астронавту увидеть голую син-гулярность; он может увернуться от сингулярности и, пролетев через "кротовую нору", выйти в другой области Вселенной. Такой вариант предоставил бы широкие возможности для путешествия в пространстве и времени, но, к сожалению, все эти решения, по-ви-димому, сильно нестабильны. Малейшее возмущение, например присутствие астронавта, могло бы так изменить решения, что астро-навт не увидел бы сингулярность до самого столкновения с ней, когда его существованию пришел бы конец. Другими словами, син-гулярность находилась бы всегда в его будущем и никогда в прош-лом. Сильная формулировка гипотезы космической цензуры такова: сингулярности реалистического решения должны быть всегда либо целиком в будущем (как в случае гравитационного коллапса), либо целиком в прошлом (как в случае большого взрыва). Очень хочется надеяться, что гипотеза космической цензуры выполняется в той или иной формулировке, потому что иначе вблизи голых сингулярностей имелась бы возможность попадать в прошлое. Это было бы прекрасно для писателей-фантастов, но означало бы, что никогда нельзя быть уверенным в своей безопасности: кто-то может войти в прошлое и лишить жизни кого-нибудь из ваших родителей еще до того, как они успели дать жизнь вам!
Горизонт событий, ограничивающий ту область пространства-времени, из которой невозможно выбраться наружу, подобен не-кой полупроницаемой мембране, окружающей черную дыру: объек-ты вроде неосторожного астронавта могут упасть в черную дыру че-рез горизонт событий, но никакие объекты не могут выбраться из нее через горизонт событий обратно. (Вспомните, что гори-зонт событий - это путь, по которому в пространстве-времени распространяется свет, когда он стремится выйти из черной дыры, а быстрее света не может двигаться ничто.) О горизонте событий можно сказать так, как сказано у поэта Данте о входе в Ад: "Оставь надежду всяк, сюда входящий". Все и вся, провалившееся за го-ризонт событий, вскоре попадет в область бесконечной плотности, где время кончается.
Общая теория относительности предсказывает, что при дви-жении тяжелых объектов должны излучаться гравитационные вол-ны, которые представляют собой пульсации кривизны пространства, распространяющиеся со скоростью света. Излучаемые при любом движении гравитационные волны будут уносить энергию системы. (Это напоминает поведение брошенного в воду поплавка, который сначала то уходит под воду, то выныривает на поверхность, но, поскольку волны уносят его энергию, в конце концов застывает в неподвижном стационарном состоянии.) Например, при обраще-нии Земли вокруг Солнца возникают гравитационные волны и Земля теряет свою энергию. Потеря энергии будет влиять на орбиту Зем-ли, и Земля начнет постепенно приближаться к Солнцу. В конце концов они войдут в контакт, и Земля, перестав двигаться отно-сительно Солнца, окажется в стационарном состоянии. При враще-нии Земли вокруг Солнца теряемая мощность очень мала - при-мерно такова, какую потребляет небольшой электрокипятиль-ник. Это означает, что Земля упадет на Солнце примерно через тысячу миллионов миллионов миллионов миллионов лет, а потому прямо сейчас беспокоиться не о чем! Изменения орбиты Земли происходят слишком медленно для наблюдения, но за последние несколько лет в точности такой же эффект наблюдался в системе PSR 1913+16. (PSR означает "пульсар" - особая разновидность нейтронной звезды, которая излучает периодические импульсы радиоволн.) Это система двух нейтронных звезд, вращающихся одна вокруг другой; потери энергии на гравитационное излучение приводят к их сближению по спирали.
Когда во время гравитационного коллапса звезды образуется черная дыра, все движения звезды должны сильно ускориться, и поэтому потери энергии тоже должны сильно возрасти. Следо-вательно, коллапсирующая звезда должна вскоре оказаться в неком стационарном состоянии. Каким же будет это конечное состоя-ние?
Можно предположить, что оно будет зависеть от всех сложных свойств исходной звезды, т. е. не только от ее массы и скорости вращения, но и от разных плотностей разных частей звезды и от сложного движения газов внутри нее. Но если бы черные дыры были столь же разнообразными, как и коллапсирующие объекты, из которых они возникают, то делать какие бы то ни было общие предсказания о черных дырах оказалось бы очень трудно.
Однако в 1967 г. канадский ученый Вернер Израэль (он ро-дился в Берлине, воспитывался в Южной Африке, а докторскую диссертацию защищал в Ирландии) произвел революцию в науке о черных дырах. Израэль показал, что, согласно общей теории относительности, невращающиеся черные дыры должны иметь очень простые свойства: они должны быть правильной сферической фор-мы, размеры черной дыры должны зависеть только от ее массы, а две черные дыры с одинаковыми массами должны быть идентичны друг другу. Фактически получалось, что черные дыры можно описать частным решением уравнений Эйнштейна, известным еще с 1917 г. и найденным Карлом Шварцшильдом вскоре после опубликования общей теории относительности. Сначала многие, в том числе и сам Израэль, считали, что, поскольку черные дыры должны быть совер-шенно круглыми, они могут образовываться только в результате коллапса совершенно круглого объекта. Таким образом, любая реальная звезда - а реальные звезды не бывают идеально сферической формы - может сколлапсировать, порождая только голую сингулярность.
Правда, была возможна и другая интерпретация полученного Израэлем результата, которую, в частности" поддерживали Роджер Пенроуз и Джон Уйлер. Быстрые движения, возникающие во время коллапса звезды, означают, указывали эти ученые, что излучаемые звездой гравитационные волны могут еще сильнее скруглить ее, и к тому моменту, когда звезда окажется в стационарном состоя-нии, она будет в точности сферической формы. При таком взгля-де на вещи любая невращающаяся звезда, как бы ни была сложна ее форма и внутренняя структура, после гравитационного коллапса должна превратиться в черную дыру правильной сферической фор-мы, размеры которой будут зависеть только от ее массы. В даль-нейшем такой вывод был подтвержден расчетами и вскоре стал общепринятым.
Результат Израэля касался только черных дыр, образовавших-ся из невращающихся объектов. В 1963 г. Рой Керр из Новой Зеландии нашел семейство решений уравнений общей теории отно-сительности, которые описывали вращающиеся черные дыры. "Керровские" черные дыры вращаются с постоянной скоростью, а их форма и размер зависят только от массы и скорости вращения. Если вращение отсутствует, то черная дыра имеет идеальную шаро-образную форму, а отвечающее ей решение идентично шварцшильдовскому решению. Если же черная дыра вращается, то ее диаметр увеличивается по экватору (точно так же, как деформируются вследствие вращения Земля и Солнце) и тем сильнее, чем быстрее вращение. Чтобы можно было перенести результат Израэля и на вращающиеся тела, было сделано предположение, что любое вра-щающееся тело, которое в результате коллапса образует черную дыру, должно в конце концов оказаться в стационарном состоя-нии, описываемом решением Керра.
В 1970 г. мой аспирант и коллега по Кембриджу Брендон Кар-тер сделал первый шаг к доказательству этого предположения. Картер показал, что если стационарная вращающаяся черная дыра обладает осью симметрии, как волчок, то ее размеры и форма будут зависеть только от ее массы и скорости вращения. Затем в 1971 г. я доказал, что любая стационарная черная дыра всегда будет иметь такую ось симметрии. Наконец в 1973 г. Дэвид Робинсон из Кингс-колледжа в Лондоне, опираясь на наши с Картером результаты, показал, что вышеприведенное предположение правильно, т. е. что стационарная черная дыра всегда будет решением Керра. Итак, пос-ле гравитационного коллапса черная дыра должна оказаться в таком состоянии, чтобы она могла вращаться, но не могла пульси-ровать. Кроме того, размеры черной дыры будут зависеть только от ее массы и скорости вращения и никак не будут связаны со свой-ствами того тела, которое сколлапсировало в эту черную дыру. Этот вывод стал известен в формулировке: "У черной дыры нет волос". Теорема об отсутствии волос у черной дыры имеет огромное практическое значение, потому что она налагает сильные ограни-чения на возможные типы черных дыр, а тем самым дает возмож-ность строить детальные модели объектов, которые могли бы со-держать черные дыры, и сравнивать их предсказания с результата-ми наблюдений. Кроме того, из нее следует, что при образовании черной дыры должна теряться огромная часть информации о сколлапсировавшем теле, потому что после коллапса все, что нам удастся измерить,- это, может быть, лишь масса тела да скорость его вра-щения.
Черные дыры - один из очень немногочисленных примеров в истории науки, когда теория развивалась во всех деталях как ма-тематическая модель, не имея никаких экспериментальных под-тверждений своей справедливости. И это, конечно, было главным возражением противников черных дыр: как можно верить в реаль-ность объектов, существование которых следует лишь из вычисле-ний, основанных на такой сомнительной теории, как общая теория относительности. Но в 1963 г. Маартен Шмидт, астроном из Паламарской обсерватории в Калифорнии, измерил красное смещение тусклого, похожего на звезду объекта в направлении источника радиоволн ЗС273 (источник под номером 273 в третьем Кембридж-ском каталоге радиоисточников). Обнаруженное Шмидтом красное смещение оказалось слишком велико, чтобы его можно было объ-яснить действием гравитационного поля: если бы оно было грави-тационного происхождения, то связанный с ним объект должен был иметь такую большую массу и располагаться так близко к нам, что его присутствие изменило бы орбиты всех планет Солнечной систе-мы. Но, может быть, тогда красное смещение возникло из-за расши-рения Вселенной и из этого следует, что рассматриваемый объект находится, наоборот, очень далеко? Видимый на таком большом расстоянии объект должен быть очень ярким, т. е. должен излучать огромную энергию. Единственный механизм, с помощью которого могло бы излучаться такое большое количество энергии,- это гравитационный коллапс, но не какой-нибудь одной звезды, а кол-лапс всей центральной области Галактики. С тех пор были открыты и другие аналогичные "квазизвездные объекты", или квазары, обладающие красным смещением. Но их большая удаленность сильно затрудняет наблюдение и не дает возможности сделать окончательные выводы относительно черных дыр.
В 1967 г. появился новый довод в пользу существования чер-ных дыр. Кембриджский аспирант Джослин Белл обнаружил на небе объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Сначала Белл и его руководитель Энтони Хьюиш решили, что они установили контакт с внеземными цивилизациями нашей Галактики. Я помню, что, докладывая о своем открытии на семинаре, четыре источника они действительно назвали сокращенно LGM 1-4, где LGM означает "зеленые человечки" (Little Green Men). Но потом и авторы, и все остальные пришли к менее романтичному заклю-чению, что обнаруженные объекты, которые были названы пульсарами, представляют собой вращающиеся нейтронные звезды, ко-торые излучают импульсы радиоволн из-за сложного характера взаимодействия их магнитного поля с окружающим веществом. Эта новость огорчила авторов боевиков о космических пришельцах, но очень воодушевила наш немногочисленный отряд сторонников чер-ных дыр, так как мы впервые получили подтверждение того, что нейтронные звезды существуют. Радиус нейтронной звезды равен примерно пятнадцати километрам, т. е. всего в несколько раз боль-ше критического радиуса, по достижении которого звезда превра-щается в черную дыру. Если звезда может сколлапсировать до таких небольших размеров, то вполне допустимо предположить, что другие звезды в результате коллапса станут еще меньше и обра-зуют черные дыры.
Да, но как можно рассчитывать найти черную дыру, если по самому ее определению она вообще не излучает свет? Это все равно, что ловить черного кота в темной комнате. И все-таки один способ есть. Еще Джон Мичелл в своей пионерской работе, написанной в 1783 г., указывал, что черные дыры все же оказывают гравитацион-ное воздействие на близкие к ним объекты. Астрономы наблюдали много систем, в которых две звезды обращаются одна вокруг дру-гой под действием гравитационного притяжения. Наблюдаются и та-кие системы, в которых видима лишь одна звезда, обращающаяся вокруг своего невидимого партнера. Разумеется, мы не можем сразу заключить, что партнер и есть черная дыра, потому что это может быть просто чересчур тусклая звезда. Однако некоторые из таких систем, например Лебедь Х-1, являются еще и мощными источниками рентгеновского излучения. Это явление лучше всего объясняется предположением, что с поверхности видимой звезды "сдувается" вещество, которое падает на вторую, невидимую звезду, вращаясь по спирали (как вытекающая из ванны вода), и, сильно разогреваясь, испускает рентгеновское излучение. Для существования такого механизма невидимый объект должен быть очень малым - белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой. Результаты наблюдения орбиты видимой звезды позволяют вычислить, какую наименьшую массу может иметь невидимый объ-ект. В случае Лебедя Х-1 эта масса составляет примерно шесть солнечных масс, т. е., согласно Чандрасекару, слишком велика, чтобы обладающий ею невидимый объект оказался белым карли-ком. А так как эта масса велика и для нейтронной звезды, объект, по-видимому, должен быть черной дырой.
Существуют и другие модели, объясняющие результаты наблю-дений Лебедя Х-1 без привлечения черных дыр, но все они довольно искусственны. Черная дыра представляется единственным совер-шенно естественным объяснением наблюдений. Несмотря на это, Хокинг заключил пари с Кипом Торном из Калифорнийского технологи-ческого института, что на самом деле в Лебеде Х-1 нет черной дыры! Для него это пари - некая страховка. Он очень много занимался черными дырами, и вся его работа пойдет насмарку, если вдруг окажется, что черные дыры не существуют. Но в этом случае утеше-нием ему будет выигранное пари. Если же черные дыры все-таки существуют, то Кип будет целый год получать журнал "Penthouse". Заключая пари в 1975 г., они были на 80% уве-рены в том, что Лебедь Х-1 является черной дырой. Сейчас их уверенность возросла до 95%, но пари остается в силе.
Исследователи располагаем данными о еще нескольких черных дырах в системах типа Лебедя Х-1 в нашей Галактике и двух соседних галак-тиках, которые называются Большим и Малым Магеллановыми Облаками. Но черных дыр почти наверняка гораздо больше: на про-тяжении долгой истории Вселенной многие звезды должны были израсходовать до конца свое ядерное топливо и сколлапсировать. Число черных дыр вполне может даже превышать число видимых звезд, которое только в нашей Галактике составляет около ста ты-сяч миллионов. Дополнительное гравитационное притяжение столь большого количества черных дыр могло бы быть причиной того, почему наша Галактика вращается именно с такой скоростью, а не с какой-нибудь другой: массы видимых звезд для объяснения этой скорости недостаточно. Существуют и некоторые данные в пользу того, что в центре нашей Галактики есть черная дыра гораздо боль-шего размера с массой примерно в сто тысяч масс Солнца. Звез-ды, оказавшиеся в Галактике слишком близко к этой черной дыре, разлетаются на части из-за разницы гравитационных сил на ближ-ней и дальней сторонах звезды. Остатки разлетающихся звезд и газ, выброшенный другими звездами, будут падать по направлению к черной дыре. Как и в случае Лебедя Х-1, газ будет закручиваться по спирали внутрь и разогреваться, правда не так сильно. Разогрев будет недостаточным для испускания рентгеновского излучения, но им можно объяснить тот крошечный источник радиоволн и инфра-красных лучей, который наблюдается в центре Галактики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
