Оптика чёрных дыр

8

В. Болтянский

Оптика черных дыр

От редакции
В настоящее время проводится интенсивная работа по изучению удаленных космических объектов. Развитие современных методов астрофизических исследований дает возможность накапливать огромный экспериментальный материал, расширять область астрономических наблюдений.

Наряду с экспериментальными исследованиями ведется большая работа по созданию различных теоретических моделей, объясняющих возникновение и развитие таких, во многом еще загадочных, астрономических объектов, как сверхновые звезды, туманности, квазары, пульсары и т. д.

Особое внимание привлекают к себе черные дыры. По современным представлениям черные дыры — это огромные сгустки материи, находящейся в состоянии чудовищного скатия. Все частицы, попадающие в некоторую окрестность черной дыры, безвозвратно затягиваются его, «исчезают». Никакая информация не поступает к наблюдателю из окрестностей черной дыры.

В этом номере журнала мы публикуем статью члена-корреспондента АПН СССР профессора В. Г. Болтянского, в котором популярино описывается одна из возможных моделей этого явления. Предлагаемая модель была математически строго расчитана автором; выводы, следующее из этой математической модели, во многом совпадают с известными экспериментальными данными.

Согласно общей теории относительнойности Эйнштейна налице масс изменяет свойства окружащего пространства, как бы искривляется пространство. Свет, проходящий в близи массивного тела, например Солнца, движется не по прямой, а по искривленной траектории.

Этот теоретический вывод подтверждает экспериментами.

Например, во время полного солнечного затмения можно наблюдать звезды, которые, согласно точным расчетам, в это время находятся за краем Солнца и должны быть недоступными для наблюдения с Земли. Видимыми они оказываются потому, что световые лучи, идущие от звезд, проходя в близи Солнца, искривляются (сплошные голубые линии на рисунке 1). В результате звезды кажутся находящимися друг от друга на большем угловом расстоянии, чем в отсутствие Солнца (пунктирные линии). Искривление светового луча при его прохождения близко к поверхности Солнца составляет примерно 1,75 угловой секунды.

Если бы все масса Солнца была локализована в очень небольшом объете (скажем, в шаре радиусом 1 км), то при таком сильном скатом (коллапсировавшем) «Солнце» искривление световых лучей, проходящих mismo него, было бы все более ощутым по мере уменьшения расстояния от «Солнце» до близкой точки световой траектории. На рис. 1.

10

Приходит к наблюдается $E$ как бы из окрестности черной дыры. Благодаря этому черная дыра будет воспринять как объект чрезвычайной яркости. В центре такого объекта должно наблюдается маленькое черное пятышко, угловой размер которого равен $\varphi = 2r/d$, где $r$ — радиус сферы Шварцшильда, а $d$ — расстояние от наблюдается $E$ до черной дыры $O$. Разумеется, это черное пятышко может быть зафиксирован в том случае, если разрешающая способность приборов у наблюдается $E$ большие $\varphi$ (то есть приборы позвольют наблюдается разделными две точки, угловое расстояние между которых равно $\varphi$).

Не эффектом ли фокусировки объясняется каждящая огромная энергия гигантских квазаров, наблюдаемых астрофизиками? Не является ли эти квазары огромными черными дырами, которые сами ничего не излучают, а светят лишь чужим светом?

Еще одно оптическое явление, связанное с черной дырой, имеет место, если черная дыра находится строгого между наблюдается $E$ и звездой $S$. В этом случае в каждой плоскости, содержащей прямую $ES$, существует (теоретически) бесконечного много траектория, по которым свет от звезды $S$ приходит к наблюдается $E$. Две крайние из этих траекторий — это лучи, идущие от звезды, которые лишь слегка искривляются, прохода около черной дыры $O$; остальные лучи на пути от $S$ к $E$ совершают различное количество витков вокруг черной дыры (рисунок 5).

Такая картина световых траекторий будет наблюдается в любой плоскости, содержащей прямую $ES$. Поэтому наблюдается $E$ будет видеть звезду $S$ в виде системы концентрических колцез, наиболее из которых имеет видимый угловой диаметр $2\varphi$, где $\varphi$ — угол, который образует с прямой $ES$ каждой краей луч, приходящий от звезды к наблюдается. Если расстояние $ES$ настолько велико, что наблюдается не разрешает (не видит разделными) точки, угловое расстояние между которых равно $2\varphi$, а лишь фиксирует яркость, то он, не подозрева о существовании черной дыры, как бы видит звезду $S$ сквозь нее. При этом наблюдается видит звезду гораздо более яркой, чем если он наблюдается не непосредственно (в отсутствие черной дыры).

Если движущаяся звезда при своей движении пересекает прямую $EO$, соединяющего наблюдается и черную дыру (на рисунке 5 красной стрелкой указано направление, по которым движется звезда), то в течение некоторого времени наблюдается будет видеть эту звезду как сверхьяркий объект. Этот объект появится внешнюю, когда звезда будет подходить к прямой $EO$, и через некоторое время погаснет. может быть, именно этим объясняется редко наблюдается градинозное астрономическое явление — вспышка сверхновой звезды?

Мы рассмотрели математическое модели, которая описывает сверхьяркие астрономические объекты не как необходимости источники сверхвысокой энергии, а как оптические явления. Как относится к этой модели? Что это — научная фантастика или действительность?

(Окончание см. на c. 17)