Почему чёрные дыры крутятся почти со скоростью света
Заглядывая в глубины космоса, прежде всего мы видим яркие точки и пятна — звёзды и галактики. Большая часть видимого в ночном небе света действительно исходит от звёзд. А если заглянуть во Вселенную при помощи приборов, выйдя за пределы видимой части спектра, мы увидим гораздо больше всего. У самых ярких и самых массивных звёзд время жизни оказывается самым малым — они сжигают своё топливо гораздо быстрее, чем их мелкие сородичи. Дойдя до предела ядерного синтеза, они заканчивают свою жизнь и превращаются в звёздные останки.
Останки эти бывают разных видов — для звёзд самой малой массы (типа Солнца) это будут белые карлики, для чуть более массивных — нейтронные звёзды, а для гигантов — чёрные дыры. Получающиеся компактные объекты излучают в электромагнитном диапазоне во всех спектрах, от радио до рентгена, и иногда результаты наблюдений этого излучения дают нам удивительные результаты. Например, большинство звёзд вращается относительно медленно –, но при этом чёрные дыры вращаются почти со скоростью света. Это может показаться контринтуитивным, однако законы физики не оставляют нам других вариантов.
Ближайшим аналогом этих объектов в нашей Солнечной системе будет Солнце. Примерно через 7 миллиардов лет оно станет красным гигантом, сожжёт все гелиевое топливо в своём ядре, и сбросит внешние слои, в то время как его ядро сожмётся до компактного объекта — и это будет самый спокойный из всех возможных вариантов кончины звезды.
Внешние слои разлетятся и создадут то, что называется планетарной туманностью — сорванные со светила газы ионизируются и подсвечиваются излучением сжимающегося ядра. Такая туманность обычно светится десятки тысяч лет, а потом остывает, становится нейтральной и весь этот материал попадает в межзвёздное пространство. Если подвернётся такая возможность, эти атомы примут участие в создании звёзд будущих поколений.
Ядро же Солнца, состоящее в основном из углерода и кислорода, сожмётся максимально плотно. В итоге гравитационный коллапс остановит только взаимодействие частиц — атомов, ионов, электронов.
Пока масса ядра не дотягивает до предела Чандрасекара, квантовые свойства этих частиц позволят удерживать остатки звезды от дальнейшего схлопывания. Концом солнечного ядра будет объект, известный как белый карлик. Его масса будет составлять значительную долю от массы бывшей звезды, однако вся она будет втиснута в объём, сравнимый с земным.
Астрономам уже более-менее понятна эволюция звёзд, и в частности то, что случится с Солнцем. Примерно 60% его массы будет выкинуто в космос, а 40% останется в ядре. Чем более массивна звезда, тем больший процент её массы будет сброшен вместе со внешними слоями и тем меньший процент массы останется в ядре. У наиболее массивных звёзд, судьба которых будет такой же, как у Солнца, а масса в 7–8 раз больше, ядро сохранит порядка 18% от всей массы оригинальной звезды.
Относительно недавно такой процесс происходил сравнительно недалеко от нас — у ярчайшей звезды нашего неба, Сириуса, есть компаньон, белый карлик, которого видно на фото, сделанном Хабблом:
Сириус А немного ярче и массивнее нашего Солнца, и считается, что его компаньон в их двойной системе, Сириус B, когда-то был более массивным. Поскольку более массивные звёзды сжигают ядерное топливо быстрее менее массивных, Сириус B сгорел уже какое-то время назад. Сегодня Сириус А продолжает жечь свой водород, и доминирует в их системе как по яркости, так и по массе. Масса Сириуса А сегодня раза в два больше, чем у Солнца, а масса Сириуса B сравнима с солнечной.
Из наблюдений за излучением белых карликов мы знаем, что они пульсируют –, а переменное излучение говорит об их вращении. И у них на полный оборот уходят не дни или месяцы (как у нашего Солнца и других звёзд). Белые карлики выполняют оборот на 360° всего примерно за час. Это может показаться странным –, но если вы вспомните классический пример с фигуристкой, которая подтягивает к себе руки и начинает вращаться быстрее, вы получите объяснение увеличения скорости вращения белого карлика. Всё дело в законе сохранения момента импульса.
Момент импульса — это просто величина, характеризующая количество движения массы по орбите и её вращения. Если раздуть массивный объект так, что его масса окажется дальше от оси вращения, ему придётся замедлиться, чтобы момент импульса остался неизменным. Если же сжать массивный объект, то чем больше массы придвинется к оси вращения, тем больше вырастет скорость вращения, увеличивая количество оборотов в секунду.
Что же будет, если мы возьмём звезду типа Солнца — с такими же массой, объёмом и скоростью вращения — и сожмём её до размеров Земли, какие обычно принимает белый карлик?
Учитывая закон сохранения момента импульса, принимая, что и Солнце и итоговый белый карлик имеют сферическую форму, и что Солнце обращается вокруг своей оси за 33 дня (это максимальный срок для любой части его фотосферы, за который она сделает полный оборот), и что лишь 40% массы Солнца отойдёт белому карлику, получится, что останки Солнца должны будут совершать полный оборот за 25 минут.
Приводя всю эту массу поближе к оси вращения останков звезды, мы гарантируем рост скорости этого вращения. В целом, уполовинивая радиус объекта при вращении, мы учетверяем его скорость — она зависит от радиуса по закону обратных квадратов. По диаметру Солнца можно разместить около 109 планет Земля, так что посчитайте сами. В реальности белые карлики будут вращаться со скоростью чуть меньшей, чем полученная по такому методу, поскольку внешние слои звезды улетают в космос и остаётся только материал ядра.
Нет ничего удивительного в том, что нейтронные звёзды и чёрные дыры становятся ещё более экстремальными объектами. Нейтронная звезда появляется на месте более массивной звезды, заканчивающей свой цикл в виде взрыва сверхновой. Из-за этого частицы ядра так сильно сжимаются, что все эти останки превращаются в одно гигантское атомное ядро, на 90% или более состоящее из нейтронов. Обычно нейтронные звёзды имеют массу в два раза больше солнечной, а размер — всего от 10 до 40 км. Вращаются они гораздо быстрее, чем могла бы любая из известных звёзд или белых карликов.
Даже самые простые расчёты скорости вращения нейтронной звезды — если брать аналогию с Солнцем — покажут, насколько быстро она должна вращаться. Если мы снова мысленно сожмём Солнце до шара диаметром в 40 км, мы получим куда как более быстрый оборот вокруг своей оси — всего за 10 мс. Тот же принцип фигуриста говорит нам о том, что нейтронная звезда должна совершать оборот 100 раз в секунду.
И на самом деле эти расчёты совпадают с наблюдениями. Некоторые нейтронные звёзды излучают радиоимпульсы как раз в сторону линии наблюдения их с Земли. Мы называем их пульсарами. Измерив период пульсации, мы получим, что хотя у некоторых из них один оборот занимает целую секунду, бывают и такие, что совершают оборот за 1,3 мс — то есть, за одну секунду успевают обернуться 766 раз.
Компьютерная симуляция нейтронной звезды. Заряженные частицы мечутся вокруг неё благодаря чрезвычайно сильным магнитным и электрическим полям звезды. Самая быстрая из вращающихся нейтронных звёзд, известных нам, совершает 766 оборотов в секунду — это быстрее, чем у нейтронной звезды, которую мы получили бы, сжав Солнце до небольших размеров. Нейтронные звёзды, вероятно, являются самыми плотными объектами, которые можно получить, не создавая сингулярности.
Самые быстро вращающиеся нейтронные звёзды называют миллисекундными пульсарами. Поверхность этих небесных тел движется с реально огромными, релятивистскими скоростями — то есть, скорость материи на поверхности нейтронной звезды составляет значимую долю от скорости света. Поверхность самых экстремальных из таких тел может разгоняться и даже превышать 50% от скорости света.
Но это — не предел для астрофизических объектов. Нейтронные звёзды — не самые плотные объекты Вселенной, пальма первенства тут принадлежит чёрным дырам. Чёрную дыру можно получить, взяв всю массу нейтронной звезды — и ещё немного — и сжав всё это до такого размера, чтобы даже объект, двигающийся со скоростью света, не смог вырваться из этой области пространства.
Если бы сжали всё Солнце до шарика радиусом в 3 км, это привело бы к появлению чёрной дыры. Но закон сохранения момента импульса продолжил бы работать, поэтому вблизи этого объекта проявился бы эффект, известный как увлечение инерциальных систем отсчёта, или эффект Лензе — Тирринга. Это явление было предсказано в общей теории относительности (ОТО), и наблюдается оно вблизи вращающихся массивных тел. Эффект проявляется в появлении дополнительных ускорений, сходных с ускорением Кориолиса, то есть, в итоге, сил, действующих на тела, двигающиеся в гравитационном поле. В результате даже само пространство-время увлекается вращающейся чёрной дырой за пределами радиуса Шварцшильда и начинает двигаться со скоростью, близкой к световой. И чем сильнее мы сожмём эту массу, тем сильнее за её вращением будет увлекаться пространство-время.
Вблизи самой чёрной дыры измерить увлечение инерциальных систем отсчёта нельзя. Однако мы можем измерить то, как этот эффект воздействует на материю, находящуюся в этой области пространства. В случае чёрных дыр это будут аккреционные диски и аккреционные потоки, существующие в регионах космоса, богатых материей. Это может показаться парадоксальным, но чем меньше чёрная дыра, тем меньше её горизонт событий, но тем больше будет искривлено пространство-время вблизи этого горизонта.
Вблизи чёрной дыры пространство движется как травалатор или водопад — кому как больше нравится это визуализировать. На горизонте событий ничто уже не сможет перегнать этот поток и вырваться наружу — он затянет любой объект внутрь, к сингулярности в центре. А что происходит там, пока не знает никто.
Можно было бы решить, что именно такие чёрные дыры являются идеальными лабораториями для наблюдения за увлечением инерциальных систем отсчёта. Но тут Вселенная нас снова удивила. Астрономы подробно изучили сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики NGC 1365 — спиральной галактики с перемычкой в созвездии Печь. Это одна из первых галактик, изображение которой получил телескоп Джеймс Уэбб. Судя по излучению этой чёрной дыры, идущему от участков, её окружающих, даже на относительно большом расстоянии от горизонта событий материя движется со скоростью в 84% от световой.
При помощи обсерваторий для наблюдения гравитационных волн, LIGO и Virgo, мы изучили характеристики чёрных дыр, существовавших в двойных системах и слившихся вместе. Оказалось, что некоторые из них вращались со скоростью теоретического максимума — 95% от световой. Очень сложно представить себе саму чёрную дыру, а уж её вращение со скоростью, близкой к световой, и вовсе кажется непостижимым. Ведь эти объекты были порождены небесными телами, вращающимися очень медленно даже по стандартам Земли, совершающей один оборот примерно за 24 часа. Однако если вспомнить, что объём большинства звёзд во Вселенной чрезвычайно велик, станет ясно, что каждая из них хранит в себе огромный момент импульса.
Если сжать такой объём до небольшого размера, у объекта не останется другого выхода, кроме как раскрутиться сильнее. Момент импульса необходимо сохранить, и объектам при сжатии приходится вращаться всё быстрее и быстрее, пока они не дойдут почти до скорости света. После этого в дело вступят гравитационные волны, и унесут с собою часть этой энергии (и момента импульса), удерживая скорость в рамках теоретического максимума. Так что в нашей Вселенной у чёрных дыр нет другого выхода — они вращаются с околосветовыми скоростями. Возможно, когда-нибудь мы сможем измерить эти их скорости напрямую.
