«Чёрные дыры и складки времени» 3 (сжатое изложение книги К.С. Торна).

Предыдущие части

Ч.1. Чёрные дыры - инфант террибль  физики первой половины XX века .

1.1. Белые карлики         http://gidepark.ru/community/228/article/364903

1.2. Нейтронные звёзды http://gidepark.ru/community/2409/article/369229

Ч.2.  Чёрные дыры побеждают физиков и влюбляют их в себя.

2.1. Законы классической физики :  «Чёрные дыры неизбежны»

Столкновение Уилера и Оппенгеймера по вопросу схлопывания звезды в чёрную дыру состоялось 10 июня 1958 году в Брюсселе, где собрались ведущие физики и астрономы для дискуссий о строении и эволюции Вселенной.  Возражения Уилера были той же природы что и у Эддингтона.  Возможность образования чёрной дыры он изначально рассматривал как недопустимую Природой и предположил,  что сжатие  порождает    мощное излучение и это сильно уменьшает массу звезды. Правда,  механизм такого излучения Уилер предложить не мог.   Другое возражение состояло в том,  что модель Оппенгеймера-Снайдера излишне упрощено и не учитывает давления внутри звезды, а значит «отсекала» процессы вызванные таким давлением.  Наличие давления могло приводить к ударным волнам,  нагреву и как следствие ядерным реакциям,  в ходе которых излучение уносило бы массу звезды, что в свою очередь уменьшало бы её массу  и отодвигало её участи «чёрной дыры».

Однако в отличие  от предвоенного времени  в 1958 году физики имели в своём распоряжении необходимую  теорию описывающую процессы ядерного взрыва и компьютеры.  Всё это им «дала»  работа над водородной бомбой.  С  одобрения Эдварда Теллера («отца» американской водородной бомбы) расчёты схлопывания звезды провели Стирлинг Колгейт, Ричард Уайт и Майкл Мэй.  Как и в модели Оппенгеймера-Снайдера, они рассматривали сферическую и невращающуюся  звезду.  Но в  ней  учитывалось то,  что волновало Уилера -  ударная волна, нагрев, излучение выброс вещества.   Расчёты полностью подтвердили  выводы сильно идеализированной теории Оппенгеймера-Снайдера.  Доклад  о  расчётах Уилер сделал на международной конференции в Далласе  в декабре 1963 года.  Во время его доклада Оппенгеймер  сидел в холле и болтал с друзьями на посторонние темы – ему было уже всё равно. Спустя 30 лет Уилер с печалью вспоминал об этом событии.

В принятии чёрных дыр немалую роль сыграло открытие Дэвида Филькенштейна.  Он случайно открыл укладывающуюся в две строки математических преобразований новую систему отсчёта, в которой можно описывать геометрию Шварцшильда.  Его система существенно отличалась  от тех, которые применялись до сих пор. Большинство из них были малы и все составляющие системы (верх низ стороны середина) покоились друг относительно друга. Система Филькенштейна  была настолько велика, что одновременно включала в себя области в окрестности чёрной дыры,   далёкие от неё  и все промежуточные области. Различные части этой системы находятся в движении друг относительно друга. Части  далёкие от звезды остаются статичными, т.е. не сжимаются, тогда как,  близлежащие области падают внутрь вместе с её поверхностью.  Поэтому система Филькенштейна пригодна для одновременного описания схлопывания звезды как с точки зрения наблюдателей падающих внутрь  вместе со схлопывающейся звездой, так и с точки зрения удалённого наблюдателя.  Получающееся описание прекрасно  примиряло замораживание для удалённого наблюдателя и продолжающееся движение  при наблюдении с поверхности.  Открытие Филькенштейна позволило сломать  ментальный  барьер. 

Другим  фактором  было название.  Слово  сингулярность  вызывало образ области, где гравитация становится бесконечной, и это ломало все известные законы физики. Такой образ справедлив только для объекта в центре чёрной дыры, но не для критической окружности.  Он сделал для физиков трудным восприятие результатов  Оппенгеймера–Снайдера, согласно которым наблюдатель на поверхности  сжимающейся звезды не почувствует бесконечной гравитации и крушения физических законов при пересечении критической окружности.  Филькенштейн показал что, радиус Шварцшильда это всего лишь область в которую всё проваливается,  но откуда ничего не может выйти.  Как показывает система отсчёта Филькенштейна схлопывающаяся звезда продолжает существовать после того как погружается за критическую окружность (сингулярность Шварцшильда), так же как и Солнце продолжает существовать  после того как на Земле оно скрывается за горизонтом.  Эта аналогия послужила мотивом Вольфгангу Риндлеру назвать сингулярность Шварцшильда горизонтом.  Современное название для объекта  в центре чёрной дыры дал Джон Уилер.  Опробовав его на конференции по пульсарам  в Нью-Йорке поздней осенью 1967 года он  «закрепил»  название на лекции «Наша Вселенная – известное и неизвестное» в  Американской ассоциации успехов науки.   В течение  месяца это название было принято учёными всего мира, за исключением Франции, там  выражение  trou noir (чёрная дыра) имеет непристойный оттенок и  сопротивление продолжалось несколько лет.

Период 60-х и до 1975 года Торн называет  Золотым Веком в исследовании чёрных дыр. Самым удивительным открытием этого периода стало, вероятно то,  что все свойства чёрной дыры можно точно описать тремя числами: электрическим зарядом,  массой и моментом импульса.  Об этом принято говорить «у чёрной звезды нет волос».  Первые намёки на это появились в 1964 году у Виталия Лазаревича Гинзбурга.  Астрономы из Калифорнийского университета только что открыли квазары, и он пытался выяснить источник их энергии. Он предположил,  что это может быть, например, схлопывание массивной замагниченной звезды.  Как и Оппенгеймер для упрощения расчётов он рассматривал последовательность статичных звёзд.  Каждая последующая  была компактней предыдущих, но количество магнитных силовых линий остаётся  неизменным. Он вывел формулу для формы линий каждой из звёзд последовательности  и его ожидал большой сюрприз.

 Когда размеры звезды приближаются к критическому значению после  которого образуется чёрная дыра, гравитация притягивает силовые линии на поверхность и сильно их стягивает.  Примерно в это время группа Зельдовича (Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков) исследовала вопрос о том, что если из круглой звезды образуется  круглая чёрная дыра, то если звезда деформирована, то какой будет чёрная дыра? Для ответа они рассмотрели сферическую звезду с небольшой горбинкой.  Для упрощения расчётов они использовали уже применявшийся много раз трюк – рассмотрели последовательность  статичных звёзд и применили метод возмущений.  Расчёт показал, что горизонт чёрной дыры для такой звезды будет в точности круглым.  Продолжая дальше можно сделать предположение, что если бы звезда была квадратной,  из неё всё равно получилась бы чёрная звезда с круглым горизонтом.  Зимой 1964-65 годов Гинзбург и Дорошкевич, а так же Новиков и Зельдович предложили гипотезу об «отсутствии волос»  и доказали её.  Эту гипотезу позже усилил Вернер Израэль.  Он  усовершенствовал  математическую теорию советских учёных и рассмотрел  горы любого размера на поверхности звезды.  Расчёт показал - у несферического схлопывания может быть только два  результата.  Либо чёрная дыра не возникает, либо чёрная дыра получается совершенно сферической.  Но чтобы этот вывод был верен необходимо чтобы схлопывающееся тело не вращалось и было совершенно электрически нейтрально.  Но что заставляет несферическую звезду  образовывать идеально сферический горизонт?  Механизм этого открыл Ричард Прайс, один из студентов Торна.  Коротко его теорема гласила: «Всё что может излучиться ОБЯЗАТЕЛЬНО будет излучено». При схлопывании звезды её гористый выступ становится больше и соответственно растёт  искажение пространства-времени вызываемого им.  Когда звезда ныряет под горизонт, эта горка искажает его форму – на нём возникает гористый выступ.  Но звёздная гора которая его породила теперь находится под горизонтом, а то что находится на горизонте и вне его не может чувствовать того что происходит под горизонтом. Эта горка должна излучать  гравитационные волны, но породившая чёрную дыру звезда уже не подпитывает её. Гравитационное излучение распространяется во все стороны – внутрь горизонта и наружу.  Вылетающие во внешнюю Вселенную складки – гравитационные волны – уносят энергию искривления и разглаживают горизонт.  Это похоже на то, как принимает равновесную форму натянутая струна. Пока мы держим  струну, она остаётся деформированной (это может быть  аналогией горки  на горизонте которую поддерживают внутренние процессы звезды).  После того как мы отпускаем  струну (аналогия того как звезда проваливается под горизонт и перестаёт поддерживать горку на горизонте) она начинает колебаться и энергия деформации преобразуется в энергию колебаний (аналог  того как гравитационные волны уносят деформацию вызванную горкой) и струна распрямляется.

Примерно таков же механизм пропажи магнитного поля замагниченной звезды. Перед тем как звезда нырнёт под горизонт,   магнитное поле становится неотъемлемой частью  звезды – электрические токи препятствуют его исчезновению.  Но когда звезда ныряет под горизонт магнитное поле не чувствует поддержки  её электрического поля, а сам горизонт не может его удержать. В соответствии с законами физики поле может превратиться в электромагнитное излучение. А теорема Прайса утверждает, что всё, что может излучиться излучится обязательно.  Поле рассеивается частично внутрь чёрной звезды, частично  от неё. Черная дыра становится немагнитной. 

Но если всё что может излучиться, обязано излучится то что остаётся от звезды.  В соответствии с законами сохранения  это   гравитационное притяжение чёрной звезды, её момент импульса и как следствие закручивание пространства вследствие её вращения, а так же электрический заряд.    Чёрная дыра уникальна своей простотой – она может быть описана точными математическими формулами. Нигде в макроскопическом мире это не выполняется. Нигде  математика не оказывается так близко к реальности. Почему они и только они столь просты? Никто этого не знает, и ответив на этот вопрос можно проникнуть глубже в природу физических законов.

Примерно 15 лет после Прайса потребовалось  физикам чтобы доказать  отсутствие волос у чёрных дыр образованных быстро вращающимися звёздами.  Влияние вращения на чёрную дыру пришло в основном благодаря Брендону Картеру.  Он исследовал решение уравнения Эйнштейна  для вращающихся звёзд, полученное новозеландским математиком Роем Керром.   Решение новозеландца было очень простым  – безволосым.  Поэтому  оно не могло описывать вращающиеся звёзды,  т.к.  у тех должно быть много волос (много разных свойств, таких как сложные формы и сложное  внутреннее движение газа).  Картер и другие физики показали что решение Керра описывает ВСЕ вращающиеся чёрные дыры какие только могут существовать.  Занимаясь решением Керра, Картер открыл что вращающаяся чёрная дыра  должно создавать завихрения вокруг себя.  Её вращение увлекает за собой пространство и закручивает его в вихрь.  Это можно сравнить с  вращением воздуха в торнадо.  Пространство во внешней Вселенной вдалеке от горизонта  вращается медленнее чем горизонт,  и по мере приближения к нему закручивается всё сильнее, а у горизонта вращается с его скоростью. Вращение вызывает деформацию горизонта событий, подобно тому,  как сплющивается Земля. А раз так, то можно предположить,  что  она может вращаться так быстро,  что её разорвёт, и мы сможем увидеть «внутренности»  чёрной дыры.   Тогда исполнилось бы желание Уилера – заглянуть за горизонт. Но как показал Вернер Израэль,  если бросать в дыру, вращающуюся с максимальной скоростью быстро движущееся вещество, центробежные силы не дадут этому веществу достигнуть горизонта событий и проникнуть в звезду. Более того любое взаимодействие чёрной дыры имеющей критическую скорость вращения заставляет её замедляться.

Чёрные дыры могут не только вращаться, но и пульсировать.  Пульсации были открыты при компьютерном моделировании и теоретическими расчётами. Но вначале  их приняли за  гравитационное излучение в окрестности чёрной дыры, попавшее в её ловушку и вытекающее из неё.  Осенью 1971 года Билл Пресс аспирант Торна высказал предположение,  что результаты расчётов  описывают  пульсации чёрной дыры. Пульсации должны иметь собственные частоты, они могут быть неустойчивы и даже погубить чёрную дыру.  Расчёты, проделанные Саул Тьюкольски, Андреем Старобинским,  Бобом Уолдом и многими другими «спасли»  её от пульсаций. Оказалось что пульсации стабильны, а их энергия постепенно уменьшается, и они не смогут разрушить чёрную дыру.  Чёрные дыры "победили"  нелюбовь физиков и  "устояли в борьбе"  с явлениями классической физике.

К 1975 году молодые исследователи чёрных дыр посчитали,  что с ними всё ясно и начался исход из этой темы в другие направления.  И только перфекционист  Чандрасекхар  считал, что дело не доведено до конца.  Его усилия привели к написанию в 1983 году книги «Математическая теория чёрных дыр», ставшую на много десятилетий математическим справочником для всех исследователей чёрных дыр и настольной книгой, откуда можно извлечь методы решения любых задач о возмущении чёрных дыр какие только можно себе представить.