Гравитационный вихрь
Гравитационный вихрь
По теории Ньютона, гравитационное поле никак не находится в зависимости от движения вещества. Так, поля тяготения недвижного шара и вращающегося совсем схожи, если только схожи их массы. По теории Эйнштейна, это не так: поля тяготения рассматриваемых шаров будут несколько отличаться. В чем все-таки оно заключается?
Более наглядно (но несколько упрощенно) можно для себя представить это отличие, как если б вокруг вращающегося тела появлялось дополнительное вихревое гравитационное поле, увлекающее за собой все тела в радиальное движение. Дело происходит таким макаром, будто бы слои места медлительно крутятся вокруг такового тела, при этом угловая скорость их вращения находится в зависимости от расстояния: она мала вдалеке и наращивается с приближением к вращающемуся телу Для обыденных небесных тел эти эффекты ничтожно малы. Проще всего их найти, помещая поблизости вращающегося тела гироскоп. Если тело не крутится, то гироскоп будет указывать постоянное направление в пространстве по отношению к дальним звездам. (Обширно понятно внедрение гироскопов, к примеру, для ориентации галлактических кораблей.) Но поблизости вращающегося тела гироскоп медлительно поворачивается.
Так, поблизости поверхности вращающейся Земли гироскоп поворачивается приблизительно на десятую долю угловой секун-ды в год. Естественно, такая жалкая скорость поворота гироскопа не может помешать ориентации галлактических кораблей. Более того, экспериментально этот эффект пока и не найден.
У поверхности нейтронных звезд угловая скорость вращения гироскопа может быть очень большой, всего только в пару раз меньше скорости вращения самой нейтронной звезды. А сами нейтронные звезды могут крутиться со скоростью в несколько 10-ов и поболее оборотов за секунду. Таким макаром, гироскоп поблизости таковой стремительно вращающейся звезды может совершать много оборотов за секунду! Что будет происходить с этой вихревой компонентой поля тяготения при релятивистском коллапсе звезды?
Оказывается, она не будет изменяться так же, как не изменяется и сферическое поле тяготения.
Вихревое поле тяготения звезды стопроцентно определяется величиной, которую физики именуют моментом импульса тела. Для обыкновенной звезды данная величина приблизительно равна произведению скорости вращения на экваторе, массы звезды и ее радиуса.
Таким макаром, при коллапсе вращающегося тела появляется крутящаяся темная дыра. Что значит вращение темной дыры? Оно значит наличие вокруг темной дыры вихревого поля тяготения, оставшегося после коллапса, либо, как его время от времени именуют, гравитационного вихря. Чем поближе к темной дыре, тем посильнее вихревое поле.
К чему это приводит?
Сначала вращение несколько сплющивает черную дыру у полюсов, подобно тому как вращение сплющивает Землю и звезды. Напомним, что без вращения форма дыры была бы точно сферической. Но не это главное. Без вращения гравитационная сила обращалась в бесконечность на сфере Шварцшильда. Эта сфера и была границей темной дыры, либо, как молвят физики, горизонтом, из-под которого ничто вылетать не может. При наличии вращения это не так. Тяготение обращается в бесконечность вне горизонта, на поверхности, получившей заглавие границы эргосферы. Положение этой границы показано на рисунке 6. Она отстоит тем далее от границы темной дыры, чем резвее вращение, по далековато от нее отступить не может. На границе эргосферы и под ней уже никакая сила не может удержать проникшее туда стороннее тело в покое. Оно будет увлекаться вихревым полем в движение относительно темной дыры. Но в отличие от тел, находящихся под сферой Шварцшильда (в отсутствие вращения), где они неудержимо падали к центру, тут, под границей эргосферы, все тела вовлекаются во вращательное движение вокруг темной дыры. При всем этом они совсем не непременно двигаются к центру: могут и приближаться к темной дыре, и удаляться от нее, могут пересекать границу эргосферы, двигаясь и вовнутрь и наружу.
Спрашивается, как гравитационная сила действует на их под границей эргосферы, если уже на границе величина ее равна бесконечности?
Тут мы должны напомнить то, что уже гласили при обсуждении силы тяготения, действующей на поверхности Шварншильда
Сила тяготения нескончаема на границе только для недвижного тела, а если тело движется ускоренно, то сила будет другая. При радиальном движении вокруг темной дыры в том же направлении, что и направление вращения темной дыры, сила и на границе эргосферы, и снутри ее оказывается конечной. Потому те то может снутри границы эргосферы двигаться по окружности, не падая на центр. Таким макаром, при наличии вращения предел статичности (другими словами граница области, где вероятен покой тела по отношению к темной дыре) резко отличается от сферы Шварцшильда в случае отсутствия вращения.
Мы лицезреем, что граница эргосферы совсем не является границей темной дыры, раз из-под этой поверхности можно выйти наружу. Поглядим, что все-таки будет при предстоящем приближении к темной дыре.
Продвигаясь вглубь, мы достигаем в конце концов границы темной дыры — горизонта. На этой поверхности и под ней тело (и любые частички, и свет) движется только вовнутрь темной дыры. Тут движение наружу нереально, и никакая информация не может выйти к наружному наблюдающему из-под этого горизонта.
Конкретно место меж горизонтом и пределом статичности и именуют эргосферой. Там сила тяготения принуждает все тела кружить вокруг темной дыры.
Если медлительно приближать гироскоп к поверхности эргосферы, его угловая скорость вращения будет все возрастать, стремясь на самой поверхности к бесконечности (для недвижного гироскопа).
Как для наружного наблюдающего будут протекать действия при падении какого-нибудь тела с огромного расстояния к вращающейся темной дыре?
Падая на черную дыру, тело поначалу отклонится в собственном движении в сторону ее вращения, пересечет границу эргосферы и равномерно приблизится к горизонту. На горизонте все тела имеют одну и ту же угловую скорость воззвания, в какое бы место поверхности горизонта ни попало падающее тело. Это очень принципиальное свойство вращающейся темной дыры. В самой эргосфере угловая скорость движения тел может быть разной, но, попадая на поверхность темной дыры, они имеют уже схожую угловую скорость, крутятся совместно с поверхностью темной дыры, вроде бы прилепленные к поверхности вращающегося твердого тела.
Для наружного наблюдающего получаемый от их свет стремительно становится все более красноватым и наименее насыщенным, потом стопроцентно затухнет, и они станут невидимыми для наружного наблюдающего: что происходит под горизонтом, он не лицезреет. Если же сам наблюдающий будет свободно падать во крутящуюся черную дыру, то он за конечное время достигнет горизонта, как и в случае невращающейся дыры, и будет продолжать падать вовнутрь. Оставим пока этого наблюдающего и вернемся во наружное место — в округа темной дыры.
Вращение темной дыры не может быть сколь угодно огромным. Дело в том, что она не сумеет появиться, если тело крутилось очень стремительно. Вправду, при сжатии тела, довольно стремительно вращающегося, на экваторе появляются центробежные силы, которые препятствуют его сжатию в плоскости экватора. Тело может продолжать сжиматься только повдоль полюсов. Но тогда оно перевоплотится в “блин” радиусом, много огромным гравитационного радиуса, и, как следует, никакой темной дыры не возникнет. Очень вероятным вращение темной дыры станет тогда, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.
У вращающейся темной дыры изменяются и законы небесной механики. Так, вспомним явление гравитационного захвата тел темной дырой. Если дыра крутится, то легче всего ею будут захватываться частички, которые поблизости темной дыры летят в сторону, обратную вращению, и с еще огромным трудом — частички, парящие мимо темной дыры в сторону вращения. Наглядно можно для себя представить это так, как если б вихревая компонента гравитационного поля вокруг темной дыры действовала бы подобно праще — ускоряя и отбрасывая тем частички, передвигающиеся мимо темной дыры в ту же сторону, что и закручивающийся вихрь этого поля, и, напротив, тормозя и захватывая частички, передвигающиеся против вихря.
Очередной пример конфигурации законов небесной механики. В случае воззвания тела по радиальный орбите вокруг очень стремительно вращающейся темной дыры в виде гравитационных волн может излучиться в семь раз больше энергии, чем при движении вокруг невращающейся темной дыры.
Новиков И.Д.