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

Если бы черная дыра вращалась очень быстро, центробежные силы могли бы разорвать ее горизонт событий подобно тому, как они расплескивают воду из ведра при его быстром вращении. Таким образом, существует некоторая максимальная скорость вращения, при которой черная дыра еще может выжить. Дыра в правой половине рис. 7.9 вращается со скоростью, составляющей 58 % от максимальной.

Можно ли ускорить черную дыру до скорости, превышающей максимум, разрушить горизонт событий и посмотреть, что у нее внутри? К сожалению, нет. В 1986 г., через десять лет после окончания Золотого века, Вернер Израэль показал: нет смысла пытаться заставить звезду вращаться быстрее, чем разрешенный для нее максимум. Например, если ускорять черную дыру, вращающуюся с максимальной скоростью, бросая в нее быстро движущееся вещество, центробежные силы не дадут этому веществу достичь горизонта событий и проникнуть в дыру. Более того, любое малейшее взаимодействие дыры, имеющей максимальную скорость вращения, с окружающей Вселенной (например, гравитационное притяжение далеких звезд) заставляет дыру замедляться. Представляется, что законы физики не позволяют никому вне черной дыры заглянуть в ее внутренности и раскрыть секреты квантовой гравитации, спрятанные в центральной сингулярности черной дыры (глава 13).

7.9. Горизонт событий невращающейся черной дыры (слева) и дыры, вращающейся со скоростью 58 % от максимальной (справа). Влияние вращения на форму горизонта событий открыто в 1973 г. Лэрри Смарром, студентом Стэнфордского университета, который решал эту задачу по просьбе Уилера

Если черная дыра имеет массу Солнца, ее максимальная скорость вращения составляет 1 оборот за 0,000062 с (62 микросекунды). Поскольку окружность такой черной дыры равна примерно 18,5 км, это соответствует скорости вращения (18,5 км)/(0,000062 с), что примерно равно скорости света, 299,792 км/с. (И это не просто совпадение.) Черная дыра с массой в 1 миллион Солнц имеет размер в миллион раз больший, чем дыра в 1 солнечную массу, поэтому ее максимальная скорость вращения в миллион раз меньше и составляет один оборот за 62 с.

* * *

В 1969 г. Роджер Пенроуз (о котором мы подробно узнаем в главе 13) сделал замечательное открытие. Рассматривая решение уравнения поля Эйнштейна, полученное Керром, он открыл, что вращающаяся черная дыра накапливает энергию вращения в вихре пространства вокруг себя. Поскольку эта энергия не внутри, а вне горизонта событий черной дыры, она может извлекаться и использоваться. Открытие Пенроуза было замечательно потому (как позднее указал Деметриос Кристодулу), что вращательная энергия черной дыры огромна. Если дыра вращается с максимально возможной скоростью, эффективность сохранения и высвобождения энергии в 48 раз выше, чем эффективность всего ядерного топлива Солнца. Если бы в Солнце сгорело все его ядерное топливо (на самом деле это невозможно), только 0,006 часть массы Солнца превратилась бы в тепло и свет. А если извлечь всю вращательную энергию быстровращающейся черной дыры (в результате чего она остановилась бы), то мы смогли бы использовать 48 * 0.006 = 29 % массы черной дыры в качестве энергии.

Удивительно то, что физики целых семь лет искали практический метод, с помощью которого природа могла бы извлекать энергию вращения черной дыры. Они отбрасывали один сумасшедший метод за другим. Каждый из них мог бы в принципе работать, но практической выгоды не сулил. Наконец, ученые обнаружили, насколько мудра природа. В главе 9 я опишу эти поиски и открытия, которыми они увенчались: «машинерию» черных дыр, управляющую квазарами и гигантскими струями.

* * *

Как мы видели, из-за электрического заряда возникают силовые линии электрического поля, которые радиально торчат из горизонта событий черной дыры, а вращение приводит к водовороту в пространстве вокруг дыры, к искажению формы горизонта и к накапливанию энергии. В таком случае, что произойдет с черной дырой, которая имеет как заряд, так и вращение? К сожалению, ответ не так уж интересен и содержит мало нового. Заряд черной дыры образует обычные силовые линии электрического поля. Вращение дыры создает обычный водоворот пространства возле нее, в котором запасается обычная энергия вращения, в результате чего экватор горизонта событий раздувается. Новым будет только то, что возникают довольно неинтересные магнитные силовые линии, созданные завихрением пространства в электрическом поле. (Эти силовые линии не являются новой формой «волос» на черной дыре; это всего лишь проявление взаимодействия прежних форм волос: взаимодействие завихрения с электрическим полем.) Все свойства вращающейся и заряженной черной дыры являются следствием элегантного решения уравнения Эйнштейна, полученного в 1965 г. Тедом Ньюманом в Питсбургском университете и группой его студентов: Юджином Каучем, К. Чиннапаредом, Альбертом Экстоном, А. Пракашем и Робертом Торренсом.