Поле тяготения темной дыры
Поле тяготения темной дыры
Согласно ньютоновской теории тяготения хоть какое тело в гравитационном поле звезды движется или по разомкнутым кривым — гиперболе либо параболе, — или по замкнутой кривой — эллипсу (зависимо от того, велика либо мала исходная скорость движения). У черней дыры на огромных от нее расстояниях поле тяготения слабо, и тут все явления с большой точностью описываются теорией Ньютона, другими словами законы ньютоновской небесной механики тут справедливы. Но с приближением к темной дыре они нарушаются все в большей и большей степени.
Познакомимся с некими важными особенностями движения тел в поле тяготения темной дыры.
По теории Ньютона, если скорость тела меньше 2-ой галлактической, то оно движется по эллипсу около центрального тела — тяготеющего центра (ТЦ). У эллипса есть наиблежайшая к ТЦ точка (периастр) и более удаленная (апоастр). По теории Эйнштейна, в случае движения тела со скоростью, наименьшей 2-ой галлактической, линия движения его также имеет периастр и апоастр, но она уже не эллипс; оно движется по незамкнутой орбите, то приближаясь к темной дыре, то опять удаляясь от нее. Линия движения вся полностью лежит в одной плоскости, но поблизости темной дыры она может смотреться очень затейливо, как, к примеру, наказано на рисунке 1. Если же она лежит довольно далековато, то вид ее представляет собой медлительно поворачивающийся в пространстве эллипс. Таковой неспешный поворот эллиптической орбиты Меркурия на 43 угловых секунды в столетие послужил первым доказательством корректности теории тяготения Эйнштейна.
Очень любопытно разглядеть простейшее периодическое движение тела в поле темной дыры по радиальный орбите. По теории Ньютона, движение по кругу может быть на любом расстоянии от ТЦ. Из теории Эйнштейна следует, что это не так. Чем поближе к ТЦ, тем больше скорость передвигающегося по окружности тела. На окружности, удаленной на полтора гравитационных радиуса, скорость обращающегося тела добивается световой. На еще больше близкой к темной дыре окружности движение его вообщем нереально, ибо для этого ему потребовалась бы скорость больше скорости света.
Но, оказывается, в реальной ситуации движение по окружности вокруг темной дыры нереально и на огромных расстояниях, начиная с 3-х гравитационных радиусов, когда скорость движения составляет всего половину скорости света. В чем все-таки причина?
Дело в том, что на расстояниях меньше 3-х гравитационных радиусов движение по окружности нестабильно. Мельчайшее возмущение, сколько угодно малый толчок принудят крутящееся тело уйти с орбиты и или свалиться в черную дыру, или улететь в место (ничего схожего не предугадывает ньютоновская “Небесная механика”). Но, пожалуй, самое увлекательное и необыкновенное в новейшей небесной механике — это возможность гравитационного захвата темной дырой тел, прилетающих из космоса.
Напомним, что в ньютоновской механике всякое тело, прилетающее к тяготеющей массе из космоса, обрисовывает вокруг нее параболу либо гиперболу и (если не “стукнется” о поверхность тяготеющей массы) опять улетает в космос — гравитационный захват неосуществим. По другому обстоит дело в поле тяготения темной дыры. Естественно, если прилетающее тело движется на большенном расстоянии от темной дыры (на расстоянии 10-ов гравитационных радиусов и больше), там, где поле тяготения слабо и справедливы законы механики Ньютона, то оно движется практически точно по параболе либо гиперболе. Но если оно пролетает довольно близко от дыры, то его орбита совершенно не похожа на гиперболу либо параболу. В случае, если оно вдалеке от темной дыры имеет скорость много меньше световой и его орбита подходит близко к окружности с радиусом, равным двум гравитационным радиусам, то оно обернется вокруг темной дыры пару раз, до того как опять улетит в космос. Этот случай изображен на рисунке 2.
В конце концов, если крутящееся тело подойдет впритирку к обозначенной окружности 2-ух гравитационных радиусов, то его орбита будет на эту окружность навиваться; тело окажется гравитационно захваченным темной дырой и никогда опять не улетит в космос (набросок 3). Если тело подойдет еще поближе к темной дыре, оно свалится в черную дыру и также окажется гравитационно захваченным.
До того как перейти к другим физическим явлениям в поле тяготения темной дыры, создадим очередное замечание, касающееся 2-ой галлактической скорости. Мы уже гласили ранее, что для 2-ой галлактической скорости справедлива формула теории Ньютона и тело, владеющее таковой и большей скоростью, навечно улетает от темной дыры в космос. Но мы должны сделать обмолвку.
Разумеется, что если тело движется к темной дыре конкретно повдоль радиуса, то, какую бы скорость оно ни имело, оно врежется в черную дыру и не улетит в космос.
Более того, нам сейчас понятно, что если тело будет двигаться хоть и не прямо по радиусу к темной дыре, но орбита его пройдет на довольно близком расстоянии от темной дыры, то оно будет гравитационно захвачено. Как следует, чтоб вырваться из окружностей черной-дыры, не достаточно иметь скорость больше 2-ой галлактической, нужно еще, чтоб направление этой скорости составляло с направлением на черную дыру угол больше некого критичного значения. Если угол будет меньше, тело гравитационно захватится, если больше (и скорость равна 2-ой галлактической), то улетит в космос. Значение этого критичного угла находится в зависимости от расстояния до темной дыры. Чем далее от нее, тем меньше критичный угол. На расстоянии нескольких гравитационных радиусов нужно уже точно “прицелиться” в черную дыру, чтоб быть ею захваченной.
В конце концов, скажем несколько слов еще об одном принципиальном процессе, возникающем при движении тел в поле темной дыры. Идет речь об излучении гравитационных волн. Теория тяготения Эйнштейна предвещает их существование.
Что все-таки представляют собой эти волны, носящие настолько экзотичное заглавие. Они подобны электрическим, которые являются стремительно меняющимся электрическим полем, “оторвавшимся” от собственного источника и распространяющимся в пространстве с максимально большой скоростью — скоростью света. Точно так же гравитационные волны являются изменяющимся гравитационным полем, “оторвавшимся” от собственного источника и летящим в пространстве со скоростью света.
Новиков И.Д.