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

Рисунок 10.1 показывает вложенные диаграммы для одной такой двойной черной дыры. Каждая дыра создает глубокую яму (сильное искривление пространства-времени) во вложенной поверхности, и поскольку дыры обращаются вокруг друг друга, вращающиеся ямы производят рябь кривизны, которая начинает распространяться во все стороны со скоростью света. Рябь формирует разворачивающуюся спираль в материи пространства-времени вокруг двойной системы, напоминающую струи воды от быстровращающегося разбрызгивателя на лужайке.

Так же как каждая капля воды летит от разбрызгивателя в сторону почти по радиусу, так и каждый кусочек кривизны летит в сторону от черных дыр почти по радиусу; и так же как летящие в стороны капли все вместе образуют спиральные струи воды, так и все кусочки кривизны вместе формируют спиральные хребты и долины в ткани пространства-времени.

10.1. Вложенная диаграмма, изображающая искривление пространства в плоскости орбиты двойной системы, образованной двумя черными дырами. В центре — две ямы, которые представляют сильное искривление пространства-времени вокруг двух дыр. Эти ямы — такие же, как и те, с которыми мы сталкивались на предыдущих вложенных диаграммах черных дыр, например, на рис. 7.6. Поскольку дыры обращаются относительно друг друга, они создают распространяющуюся во все стороны рябь кривизны, называемую гравитационными волнами. [Предоставлено Проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

Так как кривизна пространства-времени — это то же самое, что гравитация, рябь кривизны является фактически волнами гравитации, или гравитационными волнами. Общая теория относительности Эйнштейна недвусмысленно предсказывает, что такие гравитационные волны должны появляться всякий раз, когда две черные дыры начинают обращаться вокруг друг друга, так же как и вообще в случае обращения вокруг друг друга двух любых звезд.

Улетая в окружающее пространство, гравитационные волны толкают дыры к центру, аналогично тому, как пуля дает отдачу стреляющему ружью. Отдача волн приводит к сближению черных дыр и к ускорению их обращения, т. е. она заставляет их двигаться друг к другу по медленно закручивающейся внутрь спирали. Закручивающаяся спираль постепенно высвобождает гравитационную энергию, одна половина которой уходит в волны, а другая в увеличение орбитальных скоростей черных дыр.

10.2. Вложенные диаграммы, изображающие кривизну пространства вокруг двойной системы, состоящей из двух черных дыр. Диаграммы были дополнительно разрисованы художником, чтобы создать ощущение движения. Каждая следующая диаграмма показывает более поздний момент времени в процессе сближения двух дыр по скручивающейся спирали. На диаграммах (а) и ( б) горизонты дыр — круги у основания ям. Горизонты сливаются как раз перед диаграммой ( в ), образуя единый, имеющий форму гантели горизонт. Вращающаяся гантель испускает гравитационные волны, которые уносят ее деформацию, оставляя позади гладкую вращающуюся черную дыру Керра на диаграмме (г). [Предоставлено Проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

Спиральное обращение черных дыр происходит сначала медленно, но чем ближе дыры подходят друг к другу, тем быстрее они движутся, тем интенсивнее порождаемая ими рябь кривизны, тем быстрее они теряют энергию и тем быстрее происходит скручивание спирали (рис. 10.2а, б). В конечном счете, когда каждая дыра приобретает скорость, почти равную скорости света, их горизонты соприкасаются и сливаются. Там, где ранее было две дыры, теперь остается только одна быстро вращающаяся гантелевидная дыра (рис. 10.2 в). При вращении этого гантелевидного горизонта излучается рябь кривизны, и эта рябь толкает утолщения к центру дыры, постепенно сближая концы гантели, пока они не исчезают (рис. 10.2 г ). Горизонт вращающейся дыры становится совершенно гладким и круглым в экваториальном поперечном сечении, в точном соответствии с формой, следующей из решения уравнения поля Эйнштейна, полученного Керром (глава 7).

Исследуя окончательную гладкую черную дыру, невозможно никаким образом узнать ее прошлую историю. Нельзя различить, была ли она образована при слиянии двух меньших дыр или прямым схлопыванием звезды, состоящей из вещества, или даже схлопыванием звезды, состоящей из антивещества. Черная дыра не имеет никаких «волос», которые позволили бы расшифровать ее историю (глава 7).