Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

компонент, которые в уравнениях Эйнштейна собраны по нескольку вместе в Специальной упаковке 4 × 4; там, значит, различные компоненты должны сокращать друг друга, чтобы в левой части уравнений Эйнштейна получились одни нули, как того требует правая часть. Из-за чего же возникают ненулевые компоненты кривизны? Почему пространство-время оказывается неплоским, хотя материи как будто бы нет? Фокус в том, что решение Шварцшильда – это точное решение уравнений Эйнштейна везде, кроме центра черной дыры, где оно теряет применимость. Эту потерю применимости мы выражаем словом «сингулярность». Математически решение не определено в одной-единственной точке, и соблазнительно думать, что вся масса там и прячется, но строгого смысла этому высказыванию придать нельзя; никакое количество массы не может поместиться в точке. Фактически же мы думаем, что в очень малой окрестности центра сверхбольшая плотность материи и сверхвысокая кривизна стирают грань между материей и пространством-временем: они перестают существовать по отдельности, а превращаются в неизвестную нам форму трудно-даже-сказать-чего[149].

Черная дыра не состоит из атомов или элементарных частиц

Но как вообще определяется масса черной дыры? Ее ведь нельзя взвесить; правда, равным образом нельзя взвесить Юпитер или Солнце: вывод о массе Солнца мы делаем, изучая движение вокруг него, т. е. решая задачу, обратную задаче «зная силы, найти движение». Наблюдая за движением по кеплеровым эллипсам вокруг Солнца, мы определяем силу, необходимую для его поддержания, а далее из закона тяготения Ньютона находим массу центрального тела. Для Солнца или Юпитера, правда, есть в принципе и альтернативный способ: можно задаться вопросом, сколько же в них каких атомов или элементарных частиц и какова поэтому их полная масса. Но наши представления о черных дырах говорят, что там, где элементарные частицы в принципе еще могли бы существовать, пусто. Для массы черной дыры остается только определение через движение пробных тел. Их можно даже запускать вдали от самой черной дыры, где у руля снова сэр Исаак Ньютон: чем дальше от центра, тем решение Шварцшильда лучше описывается ньютоновым законом тяготения. Запуская гайку, мы узнаем, какая же масса должна быть сосредоточена в центре, чтобы гайка двигалась именно так. Эту массу мы и называем массой черной дыры. В случае вращающейся черной дыры похожим образом определяются ее масса и количество вращения – с учетом эффекта вовлечения.

Масса и количество вращения, определенные по движению пробных тел для черной дыры, которая есть не тело, а пустота, расширяют, пожалуй, наши представления об этих атрибутах материи. Впрочем, их косвенные определения оказываются согласованными с нашей картиной мира: если в черную дыру некоторой массы падает кирпич, то масса черной дыры увеличивается на массу этого кирпича, и аналогично с количеством вращения. Характерная разница между тем, как черная дыра распоряжается массой, а как – количеством движения, состоит в том, что (не привлекая квантовых эффектов) у одной невращающейся черной дыры нельзя отобрать ни грамма массы. С количеством вращения иначе: его можно отобрать и передать каким-то удаленным от черной дыры объектам, пригодным, например, для полезного использования. Отобрать количество вращения у раскрученного маховика можно через приводной ремень или как-то иначе организованное трение, но черную дыру не за что «потянуть», а «вращающейся вещи» внутри нее нет. Тем не менее возможен своеобразный (пожалуй, и правда экстремальный) вариант гравитационного маневра для извлечения энергии вращения «без приводного ремня». Для этого нужно смело нырнуть внутрь эргосферы (см. рис. 6.29): там, как мы говорили, нельзя не вращаться, но оттуда можно вернуться, потому что эргосфера проходит на некотором расстоянии от внешнего горизонта (подлетать лучше всего в экваториальной плоскости, там зазор между эргосферой и горизонтом максимальный). Фокусы со временем внутри эргосферы приводят к тому, что энергия находящихся там тел может принимать отрицательные значения (не обязана, но может – в зависимости от скорости движения, причем главное – направление скорости)[150]. Эту особенность и можно эксплуатировать. Для этого прыгнувший в эргосферу должен использовать там наипростейший вариант реактивного двигателя. Требуется не создавать равномерную струю газа или света, а единовременно выбросить достаточно большой кусок вещества – скажем, всю ступень ракеты с двигателем (двигатель, использование которого сводится к акту его выбрасывания, – по-настоящему одноразовый). Успех трюка критически зависит от прицеливания: эту ступень следует направить так, чтобы именно ее энергия стала отрицательной (это возможно!). Однако энергия выброшенной ступени в сумме с энергией оставшегося командного отсека сохраняется, как и полагается энергии; и если энергия ступени стала отрицательной, то появляется компенсирующая положительная прибавка к энергии движения командного отсека. (Энергия, взятая из каких-то запасов на борту для отбрасывания нижней ступени, может быть при этом очень мала, и ее можно вообще не учитывать.) В результате командный отсек успешно (по геодезической! никаких двигателей ведь не осталось) вылетает из эргосферы, сохраняя часть полученной прибавки к своей энергии. Черная дыра оставила себе отрицательный вклад в энергию, который она списывает на уменьшение количества вращения и массы. Если корабли целого флота космических тунеядцев прыгают внутрь эргосферы один за одним, то притормозить вращение черной дыры они смогут до полной ее остановки, что означает превращение ее в невращающуюся (как мы теперь можем говорить – шварцшильдову) черную дыру[151].

Едва ли Шварцшильд мог предвидеть, сколь уверенно в космосе «пропишутся» необычные объекты из открытого им класса. В 2020 г. половина Нобелевской премии по физике была присуждена «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». Нобелевский комитет проявил осторожность в формулировке и не употребил словосочетание «черная дыра», видимо, потому, что, строго говоря, не доказано, каким именно решением уравнений Эйнштейна описывается этот объект, но, по всеобщему убеждению, это сверхмассивная черная дыра. Она носит красивое имя Стрелец A* (а-со-звездочкой) и имеет массу в четыре с лишним миллиона масс Солнца. Для невращающейся черной дыры это означало бы радиус горизонта около 12 700 000 км (менее одной десятой расстояния от Земли до Солнца), что не так уж много в мире сверхмассивных черных дыр, живущих в центрах галактик: для M87* – центральной черной дыры в галактике M87 (см. рис. 3.13) – это 19 000 000 000 км (более ста расстояний от Земли до Солнца)[152]. Знания о «нашей» черной дыре почерпнуты в первую очередь из движения – разумеется, не самой невидимой черной дыры, а звезд вокруг нее. За несколько десятилетий наблюдений удалось проследить за звездами, которые обращаются «вокруг пустоты» (см. рис. 7.12). Из анализа их орбит и найдена масса центрального объекта. С момента предсказания существования Нептуна по движению Урана прошло полтора с лишним столетия, и