Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

Притягивающий центр выглядит как черный диск

Падающий свет перестает выходить в какую бы то ни было сторону, если он отправляется к центру с прицельным расстоянием менее Центр притяжения выглядит со стороны как черный диск, улавливающий свет. Куда свет девается? На расстоянии 1/2 rБУКО от центра лежит (неустойчивая) круговая орбита света. Мы видели чуть выше, что никакие тела на эту круговую орбиту «не впихнуть» из-за запретительного роста энергии (да и количества вращения), но для света законы, как всегда, особые; как раз свету на этой орбите хорошо (впрочем, и здесь есть свои ограничения: она неустойчивая)[113]. Но чтобы издалека отправить свет на такую орбиту, надо выбрать прицельное расстояние точно равным А весь свет, приходящий с меньшими прицельными расстояниями, не попадает даже на орбиту радиуса 1/2 rБУКО и ни на какую другую орбиту, а просто падает на центр.

Свет может обращаться по круговой орбите

Способ исследовать происходящее подробнее – соединить гайки и фонарики, т. е. посмотреть, как распространяется свет, испущенный фонариками, которые приделаны к разбросанным повсюду гайкам. Впрочем, для распространения света не важно, свободно или не свободно падал его источник, поэтому вместо многих гаек с лампами можно отправить в полет один космический корабль с мощным двигателем, чтобы потом использовать оборудование повторно. На рис. 6.22 источник света находится относительно далеко от центра для самой правой диаграммы и тем ближе к центру, чем левее диаграмма. Диаграммы показывают, какая часть света, излученного во все стороны, пропадет в центре притяжения. Пока корабль или гайки с фонариками находятся далеко от центра (справа на рис. 6.22 – на расстоянии 15 rБУКО от центра; ничего специального в числе 15 нет, оно фигурирует просто в качестве сравнительно большого), мы, по существу, повторяем опыт, проделанный с лучами света на рис. 6.21: лишь малая часть света, испущенного во все стороны, пропадает в центре: это узкий темный сектор на диаграмме. Но когда источник достигает БУКО, угол раствора «сектора пропавшего света» вырастает уже до 90°, а на знакомом нам расстоянии 2/3 rБУКО (третья справа диаграмма на рис. 6.22) свет пропадает уже из сектора с углом раствора 133,4°. Свет, испущенный вдоль половины направлений, не выйдет наружу, когда космический корабль доберется (или гайка упадет) до половины радиуса БУКО (1/2 rБУКО); именно здесь, конечно, космонавтов слепит свет от разных других источников, «подзадержавшийся» на круговых орбитах. В области ближе половины радиуса БУКО световые сигналы во внешний мир удастся послать, только если луч наведен в пределах все более узкого конуса, смотрящего прочь от притягивающего центра, – все более узкого по мере приближения к фатальному расстоянию 1/3 rБУКО. Точно на этом расстоянии от центра посылать сигналы поздно: диаграмма, как на рис. 6.22, становится полностью черной. С этого расстояния наружу не ведут даже световые геодезические; геометрия пространства-времени такова, что их нет. Это положение дел часто выражают словами: «Гравитация настолько сильна, что ее не может преодолеть даже свет».

Рис. 6.22. В зависимости от расстояния до центра свет, испущенный вдоль некоторых направлений (показаны в виде черных секторов), падает на центр. Расстояния от источника света до центра (слева направо): 2,01 · 1/6 rБУКО, 2,1 · 1/6 rБУКО, 2,5 · 1/6 rБУКО, 3 · 1/6 rБУКО = 1/2 rБУКО, 4 · 1/6 rБУКО = 2/3 rБУКО, 6 · 1/6 rБУКО = rБУКО и 90 · 1/6 rБУКО = 15 rБУКО

Горизонт «полупроницаем» – пройти через него можно только в одну сторону

Граница той области пространства-времени, из которой не ведут наружу даже световые геодезические, называется горизонтом событий или просто горизонтом[114]. (Мы встречались с рукотворным горизонтом в главе «прогулка 5», но то была разминка.) Явление, закрытое горизонтом, носит название, которое в 1967 г. популяризировал (или придумал и популяризировал) Уилер, – «черная дыра».

Отрезанный ломоть пространства-времени. Мы начали с безобидных орбит вокруг Солнца, потом для большей выразительности увеличили массу Солнца в 5 млн раз и продолжили изучать орбиты. Почему же «оказалось», что это орбиты вокруг черной дыры? Короткий ответ: чтобы насладиться всеми эффектами высокой кривизны, нужно подобраться близко к телу, которое эту кривизну создает, но для обычных звезд мы уткнемся в саму звезду задолго до того, как эти эффекты проявят себя в полной мере.

Чуть подробнее: тело, имеющее массу Солнца и размер Солнца, притягивает вблизи своей поверхности (а там оно притягивает сильнее всего) недостаточно сильно, чтобы имелись выразительные отличия от движения в соответствии с законами Ньютона. По-настоящему интересное, как мы видим, происходит на расстояниях, сравнимых с радиусом БУКО. Но радиус БУКО для тела массы Солнца – 8862 м (внимание: метров), что меньше радиуса самого Солнца примерно в 78 500 раз. Чтобы впихнуть в такие пределы всю массу Солнца, потребуется сжать Солнце от нынешней средней плотности около (чуть меньше) полутора тонн на метр кубический до плотности в несколько сотен миллионов миллионов (1014) тонн на метр кубический. Это много по любым стандартам, и тем не менее объекты примерно с такой плотностью во Вселенной есть: это нейтронные звезды. Вопрос о том, какой в точности радиус они имеют, – сложный, потому что наши знания о веществе с такой плотностью далеко не полны; известно, что их массы не сильно превосходят солнечную – 1,4 массы Солнца или несколько выше. Относительно недавно из наблюдений за нейтронной звездой массой как раз 1,4 солнечных масс удалось, достаточно сложным образом, извлечь оценку ее радиуса – около 11 км. Радиус же БУКО для тела такой массы – 12,4 км, что формально пролегает снаружи тела, но следующий интересный радиус 2/3rБУКО оказывается уже внутри. Однако нейтронные звезды быстро вращаются, а вращение влияет на то, как искривляется пространство-время вокруг них, и история с орбитами оказывается сложнее. Как бы то ни было, вблизи нейтронных звезд и в самом деле реализуется сильная гравитация, а в них самих и вблизи них происходит разнообразнейшее интересное, но для того, чтобы мы полностью насладились разбрасыванием гаек, им слегка не хватает плотности.

Сверхсжатие материи