0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Вселенная как она работает. Как работает вселенная. Вращающаяся черная дыра Керра

Вселенная как она работает. Как работает вселенная. Вращающаяся черная дыра Керра

6.1.3. Вращающаяся черная дыра Керра

Последний тип черных дыр, которые мы рассмотрим, – это незаряженные, но вращающиеся черные дыры, описываемые метрикой Керра[92]. 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[93].

Читать еще:  Как делать цветы в стиле канзаши. Изучаем японское искусство канзаши. Мини цветочки из лент

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[94].

Вселенная как она работает. Как работает вселенная. Вращающаяся черная дыра Керра

Чёрными дырами принято считать области пространства, в которых гравитация настолько сильна, что ни излучение, ни вещество не в состоянии эту область покинуть, — так как для тел, находящихся в поле притяжения этих космических объектов, собственная скорость убегания должна превышать скорость света, что, в принципе, невозможно. Границу области, из-за которой не может прорваться даже свет, называют «горизонтом событий» черной дыры.

Американский физик Джон Арчибальд Уиллер только в 1967 году предложил этому космическому объекту, всё поглощающему и ничего не выпускающему, название «чёрная дыра». Ранее использовались такие обозначения, как «коллапсар» или «застывшая звезда».

Поиском чёрных дыр учёные занимаются уже много десятилетий, но поскольку найти «чёрную кошку в тёмной комнате» не так-то просто, приходится ориентироваться на обычные звёзды и другие космические объекты, взаимодействующие с чёрными дырами, — и по их поведению измерять параметры и отслеживать влияние дыр на окружающее космическое пространство.

Изучать же эти объекты в лабораторных условиях невозможно, потому как для создания чёрной дыры тело с массой в миллионы тонн необходимо сжать до размеров атома. Теоретическое изучение, основанное на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, находит многочисленные подтверждения в цифрах и снимках орбитальных телескопов.

Расчёты показывают, что достаточной массой для превращения в чёрные дыры обладают лишь звёзды, чья масса превышает три солнечных, поэтому для начала на них и остановимся. Пока звезда молода и активна, она обладает запасом ядерного топлива. Термоядерные реакции превращения водорода в гелий, затем в углерод (и так далее) поддерживают равновесие звезды, поскольку выделяющееся при этом тепло компенсирует энергетические потери, которые мы понимаем как свет и звёздный ветер. Эти же реакции поддерживают высокое давление внутри звезды, не позволяя ей сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Однако проходит несколько миллиардов лет, и в конце звёздной эволюции ядерное топливо начинает истощаться.

В результате её ядро и мантия переживают противоположные процессы: ядро начинает сжиматься, при этом выделяя большое количество тепла, которое нагревает внешнюю оболочку. Звезда теряет свои внешние слои, непомерно расширяющиеся в огненную туманность, разрушающую собственную планетарную систему. Если же речь идёт о сверхновой – то оболочка обычно уничтожается взрывом.

Итак, ядро массивной звезды сжимается и уходит под «горизонт событий», — и если бы мы могли наблюдать за этими метаморфозами в телескоп, то сначала увидели бы, что звезда с увеличивающейся скоростью уменьшается, а свет слабеет и краснеет, что объяснимо потерей фотонами энергии по мере приближения к поверхности гравитационного радиуса, необходимостью преодолевать увеличивающуюся силу тяжести, вследствие чего частицам требуется всё большее количество времени, чтобы добраться до Земли (вернее, было необходимо, — ведь процессы, которые мы наблюдаем, происходилицелую вечность тому назад). Далее мы увидели бы, что сжатие замедляется, и в тот момент, когда оно совсем остановится, визуальное наблюдение новой чёрной дыры становится невозможным.

Читать еще:  Извлечение инородного тела из желудка. Проглотил (гвоздь, осколок, батарейку) – и что теперь

Но если бы мы могли себе это позволить, и заглянуть за «горизонт событий», то обнаружили бы следующую картину: за короткий промежуток времени вещество ядра сжимается в точку, называемую «сингулярностью». В ней достигаются бесконечно большие значения тяготения и плотности. Английский физик Стивен Хоукинг назвал сингулярность «местом, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства-времени».

Первоначальная звезда могла быть устроена сколь угодно сложно, однако новообразованная чёрная дыра «забывает» всю информацию об исходной модели: форму, химический состав, распределение плотности вещества и др. После сжатия наблюдатель может определить всего три основных параметра: электрический заряд, полную массу и момент импульса, присутствующий в случае, если звезда ранее вращалась.

В последнем случае вокруг черной дыры сохраняется гравитационное поле «вихревого» принципа действия, которое увлекает соседние космические тела во вращательное движение вокруг нее. Это поле получило имя математика Роя Керра, который нашел решение его расчётных уравнений в 1963 году.

Эффект поля Керра усиливается по мере приближения к горизонту чёрной дыры, — тоесть возле неё существует определённая зона космического пространства, с одной стороны ограниченная «горизонтом событий» дыры и ведущей к неминуемой гибели всех объектов в недрах сингулярности, а с другой стороны – чертой, за которой эти объекты не притягиваются и остаются неподвижными относительно далёких звёзд. Эта черта называется «пределом статичности».

В радиусе действия поля Керра, или так называемой «эргосфере», объекты могут двигаться только по орбите вокруг нового центра тяготения, причём в том же направлении, в котором вращается сама дыра. Попав в эргосферу, кванты света или, если уж на то пошло, летательный аппарат всё ещё могут вырваться наружу, унося при этом энергию вращения сверхсистемы, но стационарным космическим телам остаётся скромный удел: водить космический «хоровод» вокруг гиганта и становиться его добычей.

Следуя эйнштейновской общей теории относительности, близи чёрных дыр под действием их гравитационного поля искривляется пространство и время (здесь будет применимо пересечение или разбежность параллельных прямых, замедление часов и все прочие ныне доказанные «легенды» учёного). Для того чтобы представить себе, как ведёт себя время около чёрной дыры, сравним его с земным. Несмотря на то, что наша планета – просто пылинка в сравнении с чёрными дырами, земная гравитация влияет на ход времени на поверхности сильнее, чем на орбите — настолько, что в GPS-навигаторы специально вносят поправки на это различие. Чего же тогда ожидать от объектов с такой чудовищным притяжением и массой, как у чёрных дыр?

Здесь напряженность гравитационного поля настолько велика, что любые физические процессы можно описывать лишь при помощи релятивистской (относительной колебаниям нейтрона) теории тяготения. Одним словом, всё это подводит нас к выводу, что чёрная дыра способна искривлять геометрию пространства и времени вокруг себя, и чем ближе – тем сильнее этот эффект, вплоть до того, что лучи света могут двигаться по её окружности.

Но неужели любая звезда рано или поздно начинает разрушать то, что создавалось с таким трудом под её светом и теплом? Повторимся: это не так. По оценкам экспертов, при умеренной начальной массе звезды ядро может сжиматься, превратиться в маленький и очень плотный белый карлик, или в еще более плотную и совсем крохотную нейтронную звезду, которые затем сохранят устойчивость: его сжатие будет остановлено давлением вырожденного вещества, и «битва с гравитацией» будет выиграна.

Поэтому для тех, кто твёрдо намерен прожить ещё пять-семь миллиардов лет, это хорошая новость. Правда, наблюдать за солнечным белым карликом придётся из подземного бункера, так как испаряющаяся мантия перед этим расширится, поглотит Меркурий и Венеру, заодно лишив землю воды и практически полностью – атмосферы. Если же масса звезды превышает три массы Солнца, то уже ничто не в силах остановить ее коллапса, — она уйдёт под горизонт событий и рано или поздно станет новой чёрной дырой.

Читать еще:  Как мужчине пережить развод с женой. Жизнь после развода с женой: как пережить расставание

Согласно расчётам учёных, наша галактика существует двенадцать миллиардов лет, и за это время должно было образоваться несколько десятков миллионов черных дыр, основная масса которых предположительно находится в ядре Млечного Пути, где коллапсировали наиболее массивные древние звёзды.

Физики предполагают, что наша Вселенная существует внутри чёрной дыры

Эта странная теория, над которой физики работают уже ни одно десятилетие, может пролить свет на многие вопросы, на которые не в состоянии ответить знаменитая теория Большого взрыва.

Согласно теории Большого взрыва, до того, как Вселенная начала расширяться, она пребывала в сингулярном состоянии-то есть в бесконечно малой точке пространства содержалась бесконечно высокая концентрация материи. Эта теория позволяет объяснить, например, почему невероятно плотная материя ранней Вселенной начала расширяться в пространстве с огромной скоростью и образовала небесные тела, галактики и скопления галактик.

Но в то же время, она оставляет без ответа и большое количество важных вопросов. Что спровоцировало сам Большой взрыв? Каков источник таинственной тёмной материи?

Теория о том, что наша Вселенная находится внутри чёрной дыры, может дать ответы на эти и многие другие вопросы. И к тому же в ней объединены принципы двух центральных теорий современной физики: общей теории относительности и квантовой механики.

Общая теория относительности описывает Вселенную в самых крупных масштабах и объясняет, как гравитационные поля таких массивных объектов, как Солнце, искривляют время-пространство. А квантовая механика описывает Вселенную в самых мелких масштабах — на уровне атома. Она, например, учитывает такую важную характеристику частиц, как спин (вращение).

Идея состоит в том, что спин частицы взаимодействует с космическим временем и передаёт ему свойство, называемое «торсион». Чтобы понять, что такое торсион, представьте космическое время в виде гибкого прута. Сгибание прута будет символизировать искривление космического времени, а скручивание — торсион пространства-времени.

Если прут очень тонкий, вы можете его согнуть, но разглядеть, скручен он или нет, будет очень сложно. Торсион пространства-времени может быть заметен только в экстремальных условиях — на ранних стадиях существования Вселенной, либо в чёрных дырах, где он будет проявляться как сила отталкивания, противоположная гравитационной силе притяжения, исходящей от кривизны пространства-времени.

Как следует из общей теории относительности, очень массивные объекты заканчивают своё существование, сваливаясь в чёрные дыры — области космоса, от которых не может ускользнуть ничего, даже свет.

В самом начале существования Вселенной гравитационное притяжение, вызванное искривлением пространства, будет превосходить силу отталкивания торсиона, благодаря чему материя будет сжиматься. Но затем торсион станет сильнее и начнёт препятствовать сжатию материи до бесконечной плотности. А поскольку энергия обладает способностью превращаться в массу, то чрезвычайно высокий уровень гравитационной энергии в этом состоянии приведёт к интенсивному образованию частиц, отчего масса внутри чёрной дыры будет нарастать.

Таким образом, механизм скручивания предполагает развитие поразительного сценария: каждая чёрная дыра должна порождать внутри себя новую Вселенную.

Если эта теория верна, то материя, из которой состоит наша Вселенная, тоже привнесена откуда-то извне. Тогда наша Вселенная тоже должна быть образована внутри чёрной дыры, существующей в другой Вселенной, которая приходится нам «родительской».

Движение материи при этом всегда происходит только в одном направлении, чем обеспечивается направление времени, которое мы воспринимаем как движение вперёд. Стрелка времени в нашей Вселенной, таким образом, тоже унаследована из «родительской» Вселенной.

Источники:

http://ours-nature.ru/lib/b/book/789203008/86
http://www.nauka-prosto.ru/page/kak-rabotaet-chjornaja-dyra
http://www.factroom.ru/facts/36315/

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector