Вращающаяся черная дыра

Хотя гравитационные волны пока не обнаружены, однако некоторые астрономические наблюдения указывают на то, что гравитационные волны излучаются при возмущениях достаточно сильных гравитационных полей и при движениях, особенно массивных космических тел.

Рис. 10.8

За все время движения тела вокруг черной дыры излучается энергии в виде гравитационных волн в шесть раз больше, чем при термоядерных реакциях.

Обнаружение и практическое применение гравитационных волн осложнено тем, что они крайне слабо взаимодействуют с веществом.

В случае падения на черную дыру света, поле тяготения ее будет изменять частоту падающих фотонов, и искривлять траекторию лучей (рис. 10.8). Как показывают расчеты, существует критический радиус окружности равный полутора гравитационным радиусам, когда фотон может двигаться вокруг черной дыры.

Но это движение неустойчиво и малейшее возмущение приведет к тому, что фотон либо улетит в космос, либо упадет в черную дыру.

До сих пор рассматривались черные дыры, возникающие при сжатии сферических тел, которые обладают сферически симметричным полем тяготения. Если же сжимается не сферическое тело, то в результате гравитационного коллапса возникает совершенно симметричная черная дыра со сферически симметричным внешним полем тяготения, а все лишнее излучается в виде гравитационных волн. Размеры черных дыр ничем не ограничены.

Если сжимающееся тело до коллапса имело, кроме гравитационного поля, еще и другие поля: электрическое, магнитное и т.д., то в процессе гравитационного коллапса будут излучены или погребены в возникающей черной дыре все виды физических полей за исключением гравитационного и электрического. Если до коллапса тело еще и вращалось, то это приводит к возникновению вращающейся черной дыры с вихревым гравитационным полем.

Вихревое поле тяготения черной дыры определяется моментом импульса, который для обычной звезды равен произведению величины скорости вращения на экваторе, радиуса звезды и массы.

В результате коллапса возникает черная дыра с вихревым полем тяготения. Из-за вращения черная дыра будет несколько сплюснута у полюсов. При наличии вращения сила тяготения обращается в бесконечность не на сфере Шварцшильда (как говорят "на горизонте" черной дыры), а вне горизонта, на поверхности, которую называют эргосферой (рис. 10.9).

Пространство между пределом статичности и горизонтом черной дыры, называют эргосферой.

Рис. 10.9

Поверхность эргосферы отстоит от границы черной дыры тем дальше, чем быстрее ее вращение.

При круговом движении тела вокруг черной дыры в том же направлении, что и направление ее вращения, сила тяготения на границе эргосферы и внутри эргосферы оказывается конечной. В этом статическом случае тело будет вращаться по окружности, не падая в черную дыру, т.е. все тела под границей эргосферы вовлекаются во вращательное движение вокруг черной дыры.

При этом они могут приближаться к черной дыре и удаляться от нее, могут пересекать эргосферу, двигаясь внутрь и наружу.

Если же тело продолжает приближаться к черной дыре, то оно вскоре достигнет границы черной дыры - ее горизонта. На этой поверхности и под ней тела (свет и любые частицы) могут падать только внутрь черной дыры. Здесь движение наружу невозможно и никакая информация не может выйти наружу из-под этого горизонта - границы черной дыры.

В области эргосфере тела могут двигаться с разными угловыми скоростями, но на горизонте они будут иметь одинаковую угловую скорость независимо от того, в какое место поверхности горизонта ни попало бы падающее тело. Вращение черной дыры не может быть сколь угодно большим, потому что она не сможет возникнуть, если тело вращалось слишком быстро.

При сжатии быстро вращающегося тела на экваторе возникают центробежные силы препятствующие его сжатию в плоскости экватора и тело может сжиматься только вдоль полюсов. Но тогда оно превращается в "блин" радиусом, много большим гравитационного и никакой черной дыры не возникнет.

Вращение черной дыры будет максимальным, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.

Она будет легче захватывать частицы, летящие вблизи ее в сторону, противоположную вращению, и труднее для частицы, движущейся в сторону вращения черной дыры.

В случае обращения тела по круговой орбите вокруг максимально быстро вращающейся черной дыры, будет излучаться в виде гравитационных волн в семь раз больше энергии, чем при вращении тела вокруг не вращающейся черной дыры.

Когда говорят о черной дыре, то прежде всего отмечают, что она поглощает почти все падающие на нее тела и излучение, и ни что не может вырваться из недр черной дыры, даже свет. Это не совсем так.

Ранее отмечалось, что при вращении тела вокруг черной дыры излучаются гравитационные волны, унося с собой энергию.

Более того, само тело и часть энергии гравитационных волн падает в черную дыру, тем самым, увеличивая ее массу, а значит, и энергию.

Однако часть энергии (массы) вращающейся черной дыры, связанная с вращением, находится, по сути, вне черной дыры и заключена в вихревой компоненте ее гравитационного поля. Вот эту энергии и можно отнять у черной дыры, уменьшая ее массу.

Максимальное количество вращательной энергии черной дыры может унести ракета, когда ее двигатели включаются у самого горизонта черной дыры. При этом площадь горизонта не меняется.

Согласно теории площадь горизонта черной дыры, никогда не уменьшается ни в каких процессах, а сама черная дыра не может разделиться, например, на две черные дыры, а сливаться черные дыры в одну могут, при этом площадь ее горизонта будет больше суммы площадей горизонтов сливающихся черных дыр.

Таким образом, рассматривая процессы, протекающие в окрестности черной дыры, и способы извлечения из нее энергии, видим, что эту энергию можно извлечь либо в форме излучения гравитационных волн, либо в виде кинетической энергии тел, выбрасываемых из эргосферы вращающейся черной дыры.