Глава 6
Черные дыры и другие экзотические объекты

Выполним наше обещание и расскажем о некоторых экзотических объектах, предсказанных ОТО. Они существенно менее распространены, чем темная материя или темная энергия, однако достаточно интересны, чтобы быть по крайней мере упомянутыми в этой книге.

Первый тип объектов, которые мы рассмотрим, – черные дыры, многие из которых наблюдались астрономами. Черная дыра представляет собой объект с плотностью настолько высокой, что пространственная кривизна и приливные силы в ее центре становятся бесконечными (это называется «пространственно-временная сингулярность», или просто «особенность» для краткости). Эта особенность окружена горизонтом событий – «поверхностью» черной дыры. Любой объект, включая свет, проваливается внутрь дыры через ее горизонт событий, но не может покинуть ее и должен двигаться в направлении центральной сингулярности. Именно поэтому этот объект называют черной дырой.

Причина в том, что под горизонтом событий радиальная координата становится времениподобной. Это означает, что радиальная координата тела внутри горизонта должна уменьшаться подобно тому, как временная координата любого тела вне черной дыры должна увеличиваться. Мы путешествуем вдоль времени, а падающий объект внутри черной дыры перемещается вдоль его радиальной координаты к сингулярности.

Могут ли быть схожие участки пространства, где все должно удаляться от этой центральной сингулярности? Физики рассмотрели и эту возможность и назвали такие объекты «белыми дырами». Мы обсудим их чуть позже.

Расстояние от центральной сингулярности до горизонта событий называется радиусом Шварцшильда и пропорционально массе черной дыры. Это не совсем расстояние в привычном понимании слова, ведь движение происходит по времени. Но не будем слишком придираться к словам, когда мы описываем черные дыры и их повадки. Величины радиусов Шварцшильда реально существующих черных дыр, как правило, весьма малы: если бы Солнце стало черной дырой, его радиус Шварцшильда был бы около 3 км. Массы черных дыр лежат в диапазоне от нескольких солнечных масс до нескольких миллиардов солнечных масс. Принимая во внимание, что радиус черной дыры пропорционален ее массе, легко оценить радиусы этих черных дыр.

Первое решение уравнений Эйнштейна, описывающее черную дыру, появилось в 1916 г. одновременно с ОТО. Тем не менее потребовалось около двух десятилетий, чтобы понять физический смысл этого решения, а полное понимание было достигнуто в 1958 г. В течение длительного времени, пока наблюдательные средства не позволяли обнаружить черные дыры, отношение к ним среди астрономов заполняло весь спектр – от полного неприятия до попыток объявить любой непонятный объект черной дырой. Лишь в конце ХХ в. лагерь сторонников черных дыр торжествовал победу: некоторые из наиболее ярых противников были вынуждены признать существование черных дыр. Сам термин «черная дыра» впервые появился в 1964 г.

Естественно, саму черную дыру наблюдать нельзя, так как она, как следует из названия, ничего не излучает. На самом деле черные дыры излучают за счет квантовых эффектов, но температура этого излучения, открытого Стивеном Хокингом, очень мала и реально обнаружить его невозможно. Например, если бы наше Солнце стало черной дырой, то температура этого излучения составляла бы всего 10–7 К.

Черные дыры можно наблюдать более или менее непосредственно в двух случаях: либо черная дыра является частью двойной системы – в этом случае можно увидеть ее аккреционный диск (излучение от вещества, попадающего в дыру и обращающегося вокруг нее), или это сверхмассивная черная дыра, как Sagittarius A*, расположенная в самом центре нашей Галактики в созвездии Стрельца. Во втором случае мы можем увидеть собственные движения близлежащих звезд, вращающихся вокруг Sagittarius A*. На далеких расстояниях мы можем видеть черные дыры в качестве активных галактических ядер и квазаров. Недавно НАСА показало огромную концентрацию черных дыр в районе под названием Chandra Deep Field-South, сфотографированную космическим рентгеновским телескопом «Чандра». На участке неба размером с диск Луны находится более 5000 черных дыр.

Астрономам известны черные дыры звездных масс, с массами начиная от нескольких масс Солнца, промежуточных масс порядка сотен масс Солнца и сверхмассивные черные дыры с массами от миллиона масс Солнца. Как правило, они находятся в центрах галактик; в нашей Галактике эту роль играет Sagittarius A* с массой 4 млн масс Солнца. В окрестностях нашей Галактики самая массивная черная дыра находится в центре галактики M87; ее масса составляет 6 млрд масс Солнца. А наиболее массивная из известных черных дыр имеет массу 20 млрд масс Солнца и находится в галактике NGC 4889.

Как образуются черные дыры? Естественно, черные (и белые) дыры могли появиться вместе с остальной частью Вселенной во время Большого взрыва, но все они должны были разнестись далеко за пределы космологического горизонта во время инфляции. Таким образом, у нас нет никаких шансов наблюдать дыры, образованные во время Большого взрыва. Наблюдаемые черные дыры образовались другим путем, а именно путем коллапса, т. е. быстрого сжатия массивных объектов. Очевидно, белые дыры не могли быть сформированы подобным образом, поэтому мы не можем наблюдать ни одну из них.

Черные дыры широко известны благодаря научной фантастике. Другое дело, что свойства черных дыр, описываемых фантастами, довольно далеки от того, что утверждает наука. С точки зрения теории относительности уединенная черная дыра может иметь следующие параметры: массу, электрический заряд и момент импульса. В принципе, рассматриваются черные дыры, имеющие также два нефизических параметра: магнитный заряд и так называемый параметр Ньюмена – Унти – Тамбурино. Никаких других независимых параметров черная дыра иметь не может. Это утверждение известно в теории относительности под названием «теорема о том, что черные дыры не имеют волос» (англ. no-hair theorem). Если на черную дыру падает тело сложной формы, например стол, то детали распределения его массы, т. е. все мультипольные моменты, начиная с квадрупольного, излучаются в виде гравитационных волн.

Все черные дыры имеют массу, так что есть только четыре возможных типа черных дыр в зависимости от наличия электрического заряда и вращения. Самые простые из них – это незаряженные невращающиеся черные дыры, описываемые решением Шварцшильда. Заряженные невращающиеся черные дыры описываются метрикой Райсснера – Нордстрёма, незаряженные вращающиеся черные дыры – решением Керра, а заряженные вращающиеся черные дыры – метрикой Керра – Ньюмена. Начнем с простейших черных дыр Шварцшильда.

Рассмотрим вначале простейшую невращающуюся незаряженную черную дыру. В ОТО такая черная дыра описывается метрикой Шварцшильда и, соответственно, называется шварцшильдовской черной дырой. Это решение сферически симметрично и зависит только от одной радиальной координаты r. В центре при r = 0 находится сингулярность, т. е. место, в котором кривизна пространства-времени обращается в бесконечность. С сингулярностями мы уже сталкивались, говоря о Большом взрыве, Большом хрусте и Большом разрыве. Однако эта сингулярность окружена со всех сторон так называемым горизонтом событий черной дыры, имеющим радиус, пропорциональный ее массе. Этот горизонт работает как полупроницаемая мембрана. Сквозь горизонт вещество и излучение могут пройти только внутрь черной дыры, но не могут выйти наружу. Попав внутрь черной дыры, пройдя горизонт событий, любое тело обязано двигаться, уменьшая радиальную координату. Это связано с тем, что под горизонтом событий радиальная координата становится времениподобной, т. е. ведет себя так, как время в привычном для нас пространстве. Поэтому точно так же, как мы не можем двигаться против времени, тело, прошедшее горизонт событий, будет неотвратимо падать на центральную сингулярность.

Какова будет судьба тела, падающего в черную дыру? Если оно свободно падает, то с релятивистской точки зрения находится в состоянии покоя в выделенной системе отсчета. Но на него будут действовать приливные силы, которые чрезвычайно велики вблизи сингулярности. Они стремятся сжать его в тангенциальном направлении и растянуть в радиальном, сделав похожим на макаронину, которая немного толще в верхней части. Так что, если вы хотите испытать, что чувствует человек, падающий в черную дыру, не подвергая себя смертельной опасности, можете привязать гирю к вашим ногам и висеть на руках на гимнастических кольцах, как показано на рис. 6.1.

При пролете горизонта событий ничего особенного не произойдет; вообще, с точки зрения падающего, момент пересечения телом горизонта событий никак не выделен. При подлете к центральной сингулярности приливные силы станут бесконечными. В результате тело будет разорвано на куски, куски – на кусочки, кусочки – на атомы, а атомы – на элементарные частицы.

Приливные силы пропорциональны M/r3, где М – масса черной дыры. Это нерелятивистское приближение, которое справедливо лишь при достаточно большом расстоянии от сингулярности. Для близких расстояний должна быть использована релятивистская формула, но необходимость ее использования означает, что приливные силы велики и падающий человек уже давно разорван; так что, пока он жив, данное приближение хорошо работает. Горизонт событий находится на расстоянии rg, где rg – радиус Шварцшильда, он же гравитационный радиус, равный rg = 2GM/c2≈ 2,95 M/M☉ км, где M☉ – масса Солнца. Таким образом, если выражать расстояние до черной дыры в ее радиусах Шварцшильда, то приливная сила будет пропорциональна (rs/r)3/M2, что означает, что приливные силы на расстоянии, равном заданному числу радиусов Шварцшильда, слабее для более массивных черных дыр.

В частности, если свободно падающий наблюдатель пересекает горизонт событий сверхмассивной черной дыры, он не почувствует ничего особенного. Но не факт, что он сможет долететь в целости до горизонта событий небольшой черной дыры.

Оценим теперь время полета внутри черной дыры – от пересечения горизонта событий до центральной сингулярности. Используем прием, столь любимый физиками-теоретиками, который называется анализом размерности. Так как время падения – кинематическая величина, оно не может зависеть от параметров падающего тела из-за принципа эквивалентности. Таким образом, оно может зависеть только от параметров черной дыры. Черная дыра Шварцшильда имеет только один параметр: массу. У нас также есть две соответствующие фундаментальные константы – гравитационная постоянная G и скорость света в вакууме с. Единственной комбинацией этих трех величин с размерностью времени является GM/c3. Таким образом, время падения в черную дыру будет равно kGM/c3 ≈ 4,93 k M/M☉ мкс, где k – некий безразмерный коэффициент. Мы получили ответ, причем в рамках ОТО, ничего не рассчитывая и не используя никаких формул. В этом состоит прелесть анализа размерности. Тут мы могли бы добавить, что величина k по порядку величины не должна сильно отличаться от единицы.

Чтобы найти ее точное значение, понадобятся и формулы, и расчеты. Величина k зависит от того, как именно тело падает, но она не может превышать π в любом случае, даже если тело – это ракета и она включит свой двигатель, пытаясь изо всех сил затормозить падение. Это предельное значение k = π не может быть получено из нерелятивистских формул; заинтересованных отошлем к задаче 17.3 в книге (Lightman, 1975). Таким образом, максимальное время падения в черную дыру равно πGM/c3 ≈ 15,5 M/M☉ мкс. Для черной дыры в центре нашей Галактики Sagittarius A* это время будет около минуты. Для самой массивной из известных черных дыр, находящейся в галактике NGC 4889, с массой около 21×109 солнечных масс, оно было бы около 90 часов, так что падающий наблюдатель имел бы достаточно времени, чтобы обдумать, было ли его решение прыгнуть в дыру действительно мудрым.

Время падения измеряется в системе падающего наблюдателя, т. е. по его собственным часам. Это уточнение очень важно, так как время, измеренное в разных системах отсчета, т. е. разными наблюдателями, может существенно различаться. Вблизи черной дыры гравитационное поле очень сильно и приводит к замедлению времени, так называемому гравитационному красному смещению.

Обратим внимание на то, что к сингулярности тело приближается по времени, роль которого играет координата r. Такая сингулярность называется пространственноподобной. Другими примерами такой сингулярности являются космологические сингулярности, т. е. Большой взрыв, Большой хруст и Большой разрыв. Остальные три координаты, в том числе координата, обозначаемая буквой t, вне черной дыры соответствующая времени, внутри черной дыры пространственноподобны, т. е. вдоль них можно двигаться в любом направлении. Для иллюстрации рассмотрим световые конусы падающего тела, показанные на рис. 6.2. Напомним, что световой конус – это гиперповерхность в пространстве-времени, которая образуется при прохождении света через определенную точку. Самое главное его свойство – это то, что независимо от того, что делает объект, он не может выйти за пределы своего светового конуса. Более подробная информация приведена в разделе 1.2.8.

Вдали от черной дыры световой конус выглядит вполне нормально: свет распространяется одинаково в любом направлении, поэтому ось светового конуса направлена вдоль оси t. Когда объект приближается к черной дыре, ее гравитация начинает притягивать свет (вспомним гравитационное линзирование). С точки зрения удаленного наблюдателя, свет распространяется быстрее в направлении черной дыры, чем от нее, и световой конус наклоняется в сторону черной дыры. На горизонте событий световой конус наклонен таким образом, что его внешний край проходит параллельно оси t. С этого момента больше невозможно избежать падения в черную дыру. Внутренний край проходит параллельно оси r. Если падающий наблюдатель углубится внутрь черной дыры, его световой конус наклоняется еще сильнее. Теперь оба его края обращены к сингулярности и направлены в противоположных направлениях вдоль оси t. Таким образом, достаточно быстро движущееся тело может двигаться в противоположном направлении оси t, оставаясь внутри своего светового конуса. Возле центральной сингулярности световой конус должен быть повернут на 90°, но эта простая аналогия не очень работает в окрестности сингулярности.

Тело, падая в черную дыру, уменьшает свою потенциальную энергию в гравитационном поле, преобразуя ее в кинетическую. На горизонте событий эта потенциальная энергия становится равной нулю. Если мы будем спускать тело в черную дыру, привязав его к веревке, вращающей при этом ось идеального генератора, мы могли бы получить энергию, равную mc2 – полной энергии покоя тела.

Эта энергия огромна: на каждый грамм вещества приходится 90 ТДж, что составляет около 25 ГВт-час – энергия, производимая за сутки атомной электростанцией. Если бы такой процесс мог быть реализован на практике, это решило бы все энергетические проблемы человечества, а заодно и проблему мусора. Следует также отметить, что эта энергия была бы действительно «зеленой», так как единственным побочным продуктом процесса являлись бы экологически чистые гравитационные волны.

Для наблюдателя, неподвижного относительно черной дыры и находящегося бесконечно далеко (реально – более чем в 100 радиусах) от нее, время течет с обычной скоростью. По мере приближения к черной дыре время начинает замедляться и на горизонте событий полностью останавливается с точки зрения удаленного наблюдателя. Если мы окружим черную дыру сферой и через люк будем медленно стравливать трос с закрепленными на нем кварцевыми часами, то по мере приближения к черной дыре часы будут идти все медленнее и медленнее независимо от принципа их действия (естественно, кроме часов, основанных на силе тяжести, например маятниковых или песочных).

С этим эффектом связаны два расхожих мифа, одним из которых мы обязаны научно-популярной литературе, а вторым – научно-фантастической. Рассмотрим их по порядку.

Широко известен мысленный эксперимент с двумя наблюдателями, один из которых падает в черную дыру, а другой наблюдает за ним, оставаясь неподвижным. При этом утверждается, что из-за описанного выше эффекта замедления времени неподвижный наблюдатель будет видеть падающего вечно, хотя тот достигнет горизонта событий за вполне конечное время в его собственной системе отсчета. Что же на самом деле увидит неподвижный наблюдатель? За время своего падения падающее тело излучит конечное число фотонов, так как этот процесс будет происходить в его собственной системе отсчета. Поток излучения от падающего тела, достигающий неподвижного наблюдателя, с точки зрения формальной математики будет экспоненциально убывать со временем (чтобы «растянуть» конечное число фотонов на бесконечное время), т. е. яркость тела будет уменьшаться. Кроме того, длина волны этого излучения увеличится из-за гравитационного красного смещения и из-за эффекта Доплера. В результате через более-менее продолжительное время до неподвижного наблюдателя будут долетать только отдельные фотоны, излученные падающим телом, да еще и с крайне низкой энергией. Поэтому, хотя формально неподвижный наблюдатель будет вечно «видеть» падающее тело, в реальности объект будет виден конечное время. Именно потому, что свет приходит в виде квантов, через некоторое время внешний наблюдатель увидит последний фотон, испускаемый падающим телом перед пересечением горизонта. Расчеты показывают, что это произойдет довольно быстро.

В одном научно-фантастическом рассказе описана ситуация, когда гибнущая цивилизация отправила космический корабль, груженный информацией об их достижениях, к черной дыре, чтобы будущие цивилизации смогли его обнаружить и спасти, получив в подарок ценные знания. Возможно ли это? Оказывается, существует конечное время, в течение которого это возможно. По его прошествии неподвижный наблюдатель будет «видеть» (кавычки стоят по причине, описанной в предыдущем абзаце), как корабль-спасатель приближается к спасаемому в течение бесконечного времени, но никогда его не достигнет. Более того, свет от второго корабля никогда не достигнет первого, так что он даже не узнает о том, что кто-то пытался его спасти.

Запас времени на спасение должен быть того же порядка, что и время падения к центральной сингулярности, потому что нет другой доступной характерной шкалы времени. Поскольку это время очень короткое (несколько микросекунд для черной дыры солнечной массы), спасательная команда должна быть чрезвычайно эффективной.

Теперь рассмотрим заряженную черную дыру, т. е. черную дыру, которая помимо массы имеет еще и электрический заряд. Отношение ее заряда к массе не может превышать некую критическую величину. Заряженная черная дыра описывается метрикой Райсснера – Нордстрёма. Рассмотрим падение на нее тела. До пересечения горизонта событий все будет происходить почти так же, как и для рассмотренной выше шварцшильдовской черной дыры, за исключением наличия электростатического поля. После прохождения горизонта событий тело точно так же начнет неотвратимо падать в направлении центральной сингулярности, но с одним важным отличием. На пути к центральной сингулярности тело пересечет второй горизонт событий и окажется во внутренней области черной дыры, где радиальная координата снова является пространственноподобной. Что касается центральной сингулярности, то она будет времениподобной, т. е. в ее окрестности можно двигаться как по направлению к ней, так и от нее. Таким образом, любой, даже самый маленький электрический заряд черной дыры полностью меняет тип сингулярности в ее центре.

Теоретически, если падающее тело является, скажем, ракетой, оно может включить двигатели и изменить направление своего движения, начав двигаться с увеличением радиальной координаты. По мнению некоторых специалистов, пролетев через внутренний горизонт, оно снова попадает в область, где радиальная координата времениподобна, и теперь будет увеличиваться, т. е. тело окажется внутри белой дыры, через горизонт которой оно и вылетит наружу. А куда, собственно, оно вылетит? Ответа на этот вопрос никто дать не в состоянии. Непонятно ни в какой точке, ни в какой момент времени, ни вообще в какой вселенной это произойдет. Однако любителей путешествия в неизведанное ожидает одна проблема. Внутренний горизонт черной дыры с разумными с астрономической точки зрения параметрами находится слишком близко к сингулярности, и бросившийся в черную дыру будет разорван еще до того, как его пересечет. Более того, сама идея о том, что внутренний горизонт можно пересечь изнутри, является спекулятивной.

Последний тип черных дыр, которые мы рассмотрим, – это незаряженные, но вращающиеся черные дыры, описываемые метрикой Керра. Так как большинство астрономических объектов вращаются, это, как полагают, наиболее распространенный тип черных дыр. Как и черная дыра Райсснера – Нордстрёма, черная дыра Керра имеет ограничение. Ее момент импульса при заданной массе не должен превышать критического значения, определяемого ее массой.

В этом случае центральная сингулярность будет окружена сферическим горизонтом событий. Вокруг этого горизонта будет располагаться еще одна поверхность, называемая пределом стационарности. Она имеет форму сплюснутого эллипсоида вращения и касается горизонта событий в точках, лежащих на оси вращения. Пространство между двумя этими поверхностями называется эргосферой. Доказано, что любое тело, попавшее в эргосферу, не может быть неподвижно относительно удаленного наблюдателя – оно обязано вращаться в ту же сторону, что и черная дыра. Вращающиеся в эргосфере тела могут иметь отрицательную полную энергию с учетом энергии покоя. Поэтому тело, залетевшее в эргосферу, может распасться на два тела, одно из которых имеет отрицательную энергию, а второе, по закону сохранения энергии, будет иметь большую энергию, чем исходное тело.

Если развивать идею решения энергетическо-экологических проблем при помощи черных дыр, то можно направить в эргосферу черной дыры контейнер с мусором. Часовой механизм в заданное время откроет контейнер и выбросит мусор на орбиту с отрицательной полной энергией. Ускорившийся контейнер вылетит из эргосферы, и его кинетическая энергия может быть использована в интересах народного хозяйства. Таким образом, можно получить энергию, большую чем mc2, где m – масса выброшенного мусора. Откуда же берется дополнительная энергия? Мусор, выброшенный в эргосферу, вращается в сторону, противоположную направлению вращения черной дыры. Провалившись внутрь черной дыры, он уменьшит ее момент импульса. Таким образом, энергия будет получена за счет замедления вращения черной дыры. Такой процесс был предложен Роджером Пенроузом.

Свойства световых конусов вблизи черной дыры Керра показаны на рис. 6.3. В отличие от сферически-симметричной черной дыры Шварцшильда, черная дыра Керра имеет избранное пространственное направление – ее ось вращения и направление этого вращения. Пространство вокруг черной дыры Керра тоже затягивается в это вращение. Поэтому световые конусы наклоняются не только к центру, но и в направлении вращения. Мы не можем изобразить их на двумерном рисунке, как мы делали это на рис. 6.2 для шварцшильдовской дыры, отказавшись от явного изображения оси времени. По этой причине на рис. 6.3 мы изображаем экваториальное сечение черной дыры Керра, помещаем туда некоторое количество пробных частиц (черных точек), каждая из которых синхронно вспыхивает, становясь вершиной своего светового конуса. Свет от каждой вспышки расходится в стороны, образуя расширяющуюся оболочку или фронт разбегающейся волны. Через некоторое время (в системе отсчета удаленного наблюдателя) мы фиксируем круги, образованные пересечением экваториальной плоскости и фронтов этих волн, как границы белых кружков, изображенных на рис. 6.3. Самая близкая аналогия – водоворот, на который смотрят сверху. В него бросают камешки и наблюдают, как от места падения расходятся круги на поверхности воды.

Посмотрите внимательно на рис. 6.3. Вы заметите, что круги расположены по-разному по отношению к точкам. Представьте себе большой круг вокруг центральной сингулярности, проходящей через точку. С физической точки зрения возможны три принципиально различные ситуации: а) круг включает в себя точку; б) круг не включает в себя точку, но пересекает большой круг; в) круг не включает в себя точку и не пересекает большой круг. В первом случае пробная частица может находиться в покое или двигаться в любом направлении; во втором случае пробная частица должна двигаться, но все еще может не приближаться к черной дыре и избежать падения в нее; в третьем случае пробная частица должна двигаться по направлению к сингулярности. Случай а имеет место далеко от черной дыры вне ее эргосферы, снаружи от предела стационарности; случай б имеет место в эргосфере; случай в происходит внутри горизонта событий.

Решение Керра принципиально отличается от решений Шварцшильда и Райсснера – Нордстрёма одним обстоятельством. Последние описывают не только черные дыры, но и пространство-время вокруг любых сферически-симметричных массивных объектов в вакууме, в том числе электрически заряженных. Например, гравитационное поле невращающейся незаряженной одиночной звезды может быть описано решением Шварцшильда. Можно ожидать, что решение Керра аналогично описывает гравитационное поле снаружи вращающейся звезды, но это не так. Причины этого слишком сложны для обсуждения здесь.

Тем, кто заинтересовался черными дырами (и не боится сложных математических формул), рекомендуем прочитать прекрасную статью «Решение Керра – Ньюмена» (Kerr-Newman metric) на Scholarpedia.