Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

В случае метрики Керра возникает интересный эффект увлечения системы отсчета. Объект, попавший в окрестности вращающейся черной дыры [6] Многие эффекты, предсказанные ОТО, не связаны с какими-то особыми свойствами черных дыр, а проявляются в самых разных ситуациях. В случае черных дыр эти эффекты лишь могут достигать бóльших значений благодаря большой компактности этих объектов (отношение массы к радиусу), а поэтому в некоторых случаях их проще наблюдать именно там. Данный эффект не исключение, он существует в окрестности любого массивного вращающегося тела. В частности, он был экспериментально проверен и подтвержден на орбите Земли с помощью искусственных спутников LAGEOS, LAGEOS II (2004 г.) и Gravity Probe B (2011 г.). , будет вовлечен во вращение из-за свойств пространства-времени, в котором он оказался, – это так называемый эффект Лензе – Тирринга.

Метрика невращающейся заряженной черной дыры носит имена Рейснера и Нордстрёма, а метрика вращающейся и заряженной – Керра и Ньюмена. Однако в приложении к наблюдаемым объектам они малоприменимы, хотя существуют попытки объяснения экзотических астрономических источников моделями с участием заряженных черных дыр.

Метрика в современных теориях гравитации определяет свойства пространства-времени.

Две главные особенности черных дыр – горизонт событий и сингулярность. Горизонт событий иногда представляют как мембрану, проницаемую лишь в одну сторону. С точки зрения удаленного наблюдателя, падающему предмету для достижения горизонта требуется бесконечное время. Кроме того, по мере приближения к нему все заметнее становится эффект гравитационного красного смещения. Однако, с точки зрения падающего наблюдателя, все происходит за конечное время, причем локальными экспериментами он никак не может установить момент пересечения горизонта – сам горизонт является не физической, а лишь координатной особенностью.

Размер горизонта в метрике Шварцшильда определяется простой формулой, является сферически симметричным и зависит (линейно) только от массы. В более сложных метриках (для вращающихся и/или заряженных черных дыр) возникает несколько критических радиусов.

А вот сингулярность является в ОТО истинной особенностью. Роджер Пенроуз (Roger Penrose) и Стивен Хокинг (Stephen Hawking) доказали неизбежность формирования сингулярностей в рамках ОТО. Любой объект, попавший под горизонт событий, попадает в сингулярность, и расчет его дальнейшей судьбы пока невозможен. В решении Шварцшильда (невращающейся незаряженной черной дыры) сингулярность является точечной, а в случае вращающихся черных дыр – кольцом. В некоторых, пока неподтвержденных, теориях (например, петлевой квантовой гравитации) удается избавиться от сингулярностей. В других моделях сингулярности приобретают интересные дополнительные свойства.

В астрофизике выделяют несколько типов черных дыр. Это, во-первых, первичные черные дыры – гипотетические объекты, возникающие в ранней Вселенной. Во-вторых, черные дыры звездных масс, являющиеся продуктами эволюции массивных звезд (существуют десятки кандидатов в такие объекты). В-третьих, сверхмассивные черные дыры. Наконец, выделяют также класс черных дыр промежуточных масс (между звездными и сверхмассивными), которые были придуманы в качестве гипотезы, объясняющей свойства так называемых ультрамощных рентгеновских источников.

Радиус Шварцшильда – это радиус горизонта событий для невращающейся незаряженной черной дыры.

Черные дыры удается наблюдать благодаря аккреции, гравитационным эффектам (от простого вращения объектов вокруг черных дыр до гравитационного линзирования), а также за счет испускания гравитационных волн двойными черными дырами.

Согласно гипотезе о космической цензуре, все образующиеся сингулярности должны быть закрыты горизонтом.

В нашей Галактике должно существовать около 100 млн черных дыр звездных масс (соответственно, ближайшая одиночная черная дыра должна находиться на расстоянии порядка 100 световых лет от нас). Большую часть этих объектов крайне трудно наблюдать. В настоящее время есть несколько случаев наблюдения гравитационного микролинзирования, которые можно объяснить линзированием на черных дырах, а также несколько десятков надежных кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах.

В настоящее время основные кандидаты в черные дыры звездных масс находятся в тесных двойных системах. Это связано с тем, что наличие близкого компонента делает возможным как появление яркого (обычно рентгеновского) источника за счет аккреции, так и определение параметров компактного объекта, дающее возможность идентифицировать его в качестве кандидата в черные дыры.