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

• Название: Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
• Автор: Кип Торн
• Издательство: Издательство физико-математической литературы
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2007
• ISBN: 9875-94052-144-4

Предлагаемая монография является популярным изложением новейших достижений в области астрофизики и гравитации, которые тесно связаны с фундаментальными предсказаниями А. Эйнштейна. Читатель найдет в книге много интересного о вкладе ученых разных стран в эту область науки, а также в близких к ней областях.

Эта книга переведена с английского на французский, немецкий, японский, китайский, польский, греческий языки. Несколько глав ее были ранее переведены на русский и опубликованы в журнале «Природа».

Книга рассчитана на широкий круг читателей, включая школьников старших классов.

---

Чтобы продолжить изучение этого замечательно нормального состояния, Брет выпускает из корабля капсулу с аппаратурой для измерения скорости света, состоящей из импульсного лазера и зеркала. Пока капсула движется к горизонту, этот прибор измеряет скорость, с которой световые импульсы проходят от лазера в носовой части капсулы до ее хвостовой части и обратно. Компьютер в капсуле передает по лазерному лучу на корабль: «299792 километров в секунду; 299792, 299792, 299792…». Цвет входящего лазерного пучка смещается от зеленого к красному, затем к инфракрасному, потом к микроволнам и радиоволнам, по мере того как капсула приближается к горизонту, а сообщение по-прежнему то же самое: «299792, 299792, 299792…». Затем лазерный луч исчезает. Капсула прошла горизонт, но ни разу за время падения не наблюдалось никаких изменений в скорости света внутри ее, не было также никаких изменений в законах физики, которые управляют работой электронных систем капсулы.

Эти экспериментальные результаты приносят вам большое удовлетворение. В начале XX века Альберт Эйнштейн провозгласил, исходя, в основном, из философских соображений, что локальные законы физики (законы в малых пространствах, там где можно пренебречь искривлением пространства-времени) должны быть те же самые, что и в остальной Вселенной. Это утверждение является фундаментальным принципом физики — принципом эквивалентности[33]. В последующие столетия принцип эквивалентности часто подвергался экспериментальной проверке, но никогда ранее его не проверяли так основательно, как в ваших экспериментах здесь, вблизи горизонта Гаргантюа.

Вы и ваша команда устали от борьбы с 10-кратной гравитацией и начинаете подготовку к заключительной части путешествия, возвращению к нашей галактике, к Млечному Пути. Команда, конечно, пошлет отчет о ваших исследованиях Гаргантюа в начале обратного пути, но, поскольку звездолет сам будет двигаться почти со скоростью света, сообщение достигнет Млечного Пути, обогнав корабль менее чем на год по часам Земли.

Пока ваш звездолет уходит от Гаргантюа, команда проделывает аккуратные телескопические исследования квазара 3C273, расположенного над вами[34] (рис. П.5). Его струи — тонкие всплески горячего газа, вырывающиеся из ядра квазара, — огромны: 3 миллиона световых лет длиной. Наведя телескопы на ядро, команда видит источник мощи этих струй: плотный, горячий бублик из газа размером менее, чем в один световой год, с черной дырой в центре. Бублик, который астрофизики называют «диск аккреции», вращается вокруг черной звезды. Измеряя период его вращения, вы получаете массу дыры:

П.5. Квазар 3C273. Черная дыра в два миллиарда солнечных масс, окруженная бубликом газа («диск аккреции») и двумя гигантскими струями, выстреливающими вдоль ее оси вращения.

2х109 солнечных масс, в 7500 раз меньше, чем Гаргантюа, но гораздо больше массы любой черной дыры в Млечном Пути. Поток газа, затягиваемый гравитацией дыры, устремляется из бублика к горизонту. Когда газ приближается к поверхности горизонта, он ведет себя иначе, чем вы видели на других дырах, он образует завихрение вокруг дыры как в торнадо. Эта дыра должно быть быстро вращается! Ось волчка легко идентифицировать: это ось, вокруг которой образуются газовые вихри. Две струи, как вы замечаете, выстреливают как раз вдоль оси волчка. Они образуются как раз над северным и южным полюсами горизонта и берут энергию из вращательного движения дыры и бублика[35], похоже на то, как смерч засасывают с земли пыль.

Разница между Гаргантюа и 3C273 кажется удивительной: почему Гаргантюа, с его в тысячу раз большими массой и размером, не обладает таким круглым бубликом газа и гигантскими струями квазара? После телескопических исследований Брет находит ответ: раз в несколько месяцев звезда на орбите центральной дыры 3C273 подходит близко к горизонту и разрывается приливными силами дыры. Остатки звезды, массой примерно в 1 солнечную, разбрызгиваются в окрестности черной дыры. Постепенно внутреннее трение загоняет разбрызгивающийся газ внутрь бублика. Этот свежий газ компенсирует газ, которым бублик постоянно снабжает дыру и струи. Таким образом, бублик и струи поддерживают свои запасы газа и продолжают ярко светить.

Брет объясняет, что звезды могут близко подойти и к Гаргантюа. Но поскольку Гаргантюа намного больше 3C273, его приливные силы над горизонтом слишком слабы, чтобы разорвать звезду. Гаргантюа проглатывает звезды целиком, не разбрызгивая их внутренности в окружающий бублик. А без бублика Гаргантюа не может создать струи и другие особенности квазара.

Пока звездолет продолжает вырываться из гравитационных объятий Гаргантюа, вы обдумываете план возврата домой. К тому времени, как корабль достигнет Млечного Пути, Земля станет на 4 миллиарда лет старше по сравнению со временем, когда вы ее покинули. Перемены в человеческом обществе должны быть такими разительными, что вам уже не хочется возвращаться. Вместо этого вы и ваша команда решаете колонизировать пространство вокруг вращающейся черной дыры.

Вы полагаете, что так же как энергия вращения дыры в 3C273 питает струи квазара, энергия вращения меньшей дыры может быть использована как источник энергии для человеческой цивилизации.

Вам не хотелось бы прибыть к какой-нибудь выбранной дыре и обнаружить, что другие существа уже построили вокруг нее свою цивилизацию. Поэтому вместо того чтобы направить звездолет к уже существующей быстро вращающейся дыре, вы направляетесь к таким звездным скоплениям, в которых быстро вращающиеся дыры должны появиться вскоре после вашего прибытия.

В туманности Ориона в Млечном Пути как раз, когда вы покидали Землю, существовала двойная звездная система, состоящая из двух обращающихся вокруг друг друга звезд с массами в 30 солнечных. ЗАРЯ посчитала, что в то время как вы летели к Гаргантюа, каждая из этих звезд должна была взорваться, с образованием не вращающейся дыры массой в 24 солнечных (6 солнечных масс газа было выброшено во время схлопывания). Эти две дыры, каждая из которых имеет массу в 24 солнечных, должны теперь вращаться вокруг друг друга как двойная черная дыра, и при вращении они должны излучать волны приливных сил (волны «искривления пространства-времени»), которые называются гравитационными волнами35. Эти гравитационные волны должны толкать двойную дыру так же, как вылетающая пуля вызываете отдачу стреляющего ружья. Эта «отдача гравитационной волны» стягивает орбиты дыр в медленно, но неумолимо стягивающуюся спираль. Слегка корректируя ускорение вашего звездолета, вы можете добиться того, что время вашего подлета совпадет с последней стадией стягивания спирали, и через несколько дней после вашего прибытия вы сможете увидеть, как горизонты черных дыр наматываются один на другой, все плотнее и плотнее, быстрее и быстрее, пока не сольются в один, вращающийся больший горизонт.

Из-за того что две родительские дыры не вращаются, ни одна из них не может служить источником энергии для вашего поселения. Однако новорожденная, быстро вращающаяся дыра подходит для этого идеально!

Дом

После 42-летнего путешествия ваш звездолет, наконец, замедляется в туманности Ориона, где, как предсказала ЗАРЯ, должны быть две черные дыры. Вот они, там, где и было предсказано! Измеряя орбитальное движение межзвездных атомов при падении на дыры, вы подтверждаете, что их горизонты не вращаются, и что вес каждой из них составляет 24 солнечных массы, согласно предсказанию ЗАРИ.

Каждый горизонт имеет длину окружности в 440 километров, а расстояние между ними равно 50000 километров. Черные дыры обращаются вокруг друг друга один раз за 13 секунд. Подставив эти числа в формулы общей теории относительности для излучения гравитационных волн, вы получаете, что эти две дыры сольются в одну через 7 дней. Вам как раз хватит времени, чтобы команда приготовила аппаратуру для регистрации всех деталей происходящего. Следя за яркими кольцами сфокусированного звездного света, который окружает черные диски черных дыр, команда может легко следить за их движением.

Вам хочется быть поближе к событию, чтобы все хорошо видеть, но достаточно далеко, чтобы быть на безопасном расстоянии от приливных сил дыр. Вы решаете, что орбита звездолета, в десять раз большая орбиты, по которой дыры обращаются вокруг друг друга, будет хорошим выбором — диаметр этой орбиты равен 300000 километров, а длина окружности равна 940000 километров. Карес совершает маневр и выводит звездолет на заданную орбиту, команда начинает видеонаблюдение.

В течение последующих шести дней две дыры постепенно сближаются друг с другом и ускоряют свое орбитальное движение. За день перед слиянием расстояние между ними сократилось от 30000 километров до 18000, а их орбитальный период упал с 13 до 6,3 секунды. За час до слияния они находятся на расстоянии 8400 километров друг от друга, а их орбитальный период равен 1,9 секунды. До слияния остается одна минута: расстояние между ними стало равно 3000 километров, а период уменьшился до 0,41 секунды. Десять секунд до слияния: расстояние 1900 километров, период 0,21 секунды.