Чтение онлайн

В середине 1970-х годов Торн и Ковач из Калифорнийского технологического института приступили к исследованию возможности гравитационной фокусировки гравитационных волн, испускаемых почти сталкивающимися друг с другом чёрными дырами. Хотя их расчёты ещё не закончены, мысль о том, что гравитационные волны могут случайно фокусироваться в направлении на Землю при таких «почти - столкновениях», кажется весьма интересной. Возможно, фокусировка - это тот самый механизм, который приводит к появлению волн, зарегистрированных Вебером с помощью его антенн.

Гравитационные линзы представляют и самостоятельный интерес независимо от их возможной связи с фокусировкой гравитационных волн. Сразу же после первого предположения о существовании чёрных дыр стало ясно, что кривизна пространства-времени вокруг чёрной дыры должна приводить к сильному отклонению лучей света. При определённых условиях проходящие мимо чёрной дыры лучи света могут отклоняться таким образом, что удалённые объекты будут казаться более яркими, чем обычно, а могут наблюдаться и их множественные изображения. Как показано на рис. 15.6, если чёрная дыра расположена между наблюдателем и удалённым источником света, может происходить фокусировка этого света. Теоретически гравитационная линза будет давать бесконечное число изображений удалённых звёзд и галактик. Практически же будут видимы лишь первичные и вторичные изображения - остальные окажутся слишком слабыми.

РИС. 15.6. Гравитационная линза. Чёрная дыра отклоняет и фокусирует лучи света от удалённой звезды. Большая часть отклоненного света собирается в два изображения этой звезды.

Поскольку наблюдение многократных изображений одного и того же объекта равнозначно убедительному свидетельству в пользу существования чёрной дыры, ряд астрофизиков проделали трудоёмкие расчёты яркости и формы изображений, которые дают гравитационные линзы. В частности, Р. Ч. Уэйт в 1974 г. в Имперском колледже (Лондон) опубликовал изображения галактики, получаемые при наблюдении «через» гравитационную линзу. Обычное изображение галактики без искажений приведено слева на рис. 15.7. Если чёрная дыра расположена между Землей и далёкой галактикой, то будут наблюдаться два изображения галактики. К тому же оба изображения будут заметно искажены. И чем ближе чёрная дыра находится к прямой, соединяющей Землю и галактику, тем значительнее окажется искажение.

РИС. 15.7. Вид галактики «сквозь» гравитационную линзу. На этой схеме слева показано, как выглядит (без искажений) обычная спиральная галактика. Если между Землей и этой галактикой находится чёрная дыра, астрономы увидят два изображения. Чем ближе чёрная дыра к прямой, соединяющей Землю и галактику, тем сильнее будет искажение возникающих изображений. (По Р. Ч. Уэйту.)

Астрономы никогда не наблюдали изображений галактик, которые были бы похожи на полученные Уэйтом. Может быть, дело в том, что для заметной гравитационной фокусировки требуется исключительно точное расположение в пространстве Земли, чёрной дыры и удалённой галактики на одной прямой. Вероятность того, что такое сочетание (почти) в точности выполнено, крайне мала.

Хотя открытие гравитационных линз ещё впереди, уже можно сделать некоторые важные заключения. Астрономы наблюдают с помощью мощных телескопов множество галактик, разбросанных по всему небу. У галактик имеется тенденция группироваться в скопления, которые наблюдаются во всех свободных для распространения света областях неба, где отсутствует поглощающее вещество (рис. 15.8). Если существуют сверхмассивные чёрные дыры, т.е. если во Вселенной есть чёрные дыры, массы которых равны миллиардам солнечных масс, то они должны значительно исказить общий вид неба. Если где-то во Вселенной находится сверхмассивная чёрная дыра, она существенно повлияет на изображения находящихся за ней галактик. Так как скопления галактик разбросаны по небу достаточно равномерно, можно сделать важный вывод, что сверхмассивных чёрных дыр не существует.

РИС. 15.8. Скопление галактик. В любой области неба, свободной для прохождения света, наблюдается множество галактик. Если бы где-нибудь во Вселенной существовала сверхмассивная чёрная дыра, она значительно исказила бы изображения галактик на большой части неба. Однако такие искажения никогда не наблюдались. (Обсерватория им. Хейла.)

Заметных проявлений эффекта гравитационной линзы можно ожидать в двойных системах, состоящих из чёрной дыры и видимой звезды. Чёрная дыра должна отклонять и фокусировать свет от видимой звезды, вызывая тем самым необычные эффекты. В начале 1970-х годов Ч. Т. Каннингэм и Дж. М. Бардин провели интересные расчёты, показавшие, какими должны быть изображения видимых звёзд в подобных двойных системах.

Когда релятивистские эффекты отсутствуют, орбита каждой звезды в двойной системе имеет вид эллипса (рис. 15.9). Но если один из компонентов - чёрная дыра, то его влияние на положение изображений видимой звезды оказывается существенным. На рис. 15.10 приведены «видимые» траектории первичного изображения видимой (М=а). Когда видимая звезда находится перед чёрной дырой, её изображение практически остаётся неискаженным. Однако, когда звезда уходит за чёрную дыру, большая часть света звезды, который должен был бы наблюдаться земными астрономами, «проглатывается» дырой. Уйти из мощного гравитационного поля чёрной дыры удаётся только тем лучам света, которые испускаются видимой звездой под очень большими углами. Поэтому видимая траектория звезды, проходящей за чёрной дырой, оказывается сильно искаженной.

РИС. 15.9. Обычная двойная система. Когда релятивистские эффекты несущественны, орбита одной звезды вокруг другой в двойной системе должна быть эллипсом.

РИС. 15.10. Движение первичного изображения. На этой последовательности схем представлено движение первичного изображения видимой звезды при обращении её вокруг вращающейся чёрной дыры. Когда видимая звезда находится перед чёрной дырой, изображение почти не испытывает смещения. Однако когда видимая звезда проходит за чёрной дырой, мимо неё удаётся проскользнуть только тем лучам света, которые покинули звезду под большими углами. (По Ч. Т. Каннингэму и Дж. М. Бардину.)

Вдобавок к только что описанному первичному изображению земные астрономы смогут увидеть и вторичные изображения. Движение вторичного изображения видимой звезды показано на рис. 15.11. Чтобы было удобнее сравнивать, здесь же штриховой линией дана и траектория первичного изображения. В случае вторичных изображений лучи света от видимой звезды перед тем, как уйти к удалённому наблюдателю, описывают оборот вокруг чёрной дыры. Если вращение чёрной дыры сравнительно мало влияет на первичное изображение, то оно сильно сказывается на положении вторичных изображений. Когда видимая Звезда в действительности находится перед вращающейся чёрной дырой, вторичное изображение должно наблюдаться слева от неё. При движении звезды вокруг чёрной дыры (пусть для земного наблюдателя оно будет происходить против часовой стрелки) вторичное изображение также будет обращаться вокруг места, где расположена чёрная дыра, и тоже против часовой стрелки. Однако, когда будет пройдено 3/4 пути по орбите и видимая звезда станет выходить из-за чёрной дыры, произойдет нечто совершенно необычное. Возникнет новое вторичное изображение.

РИС. 15.11. Движение вторичных изображений. Лучи света, совершающие один оборот вокруг чёрной дыры до того, как уйти к удалённому астроному, дают вторичные изображения. Ввиду вращения чёрной дыры наблюдается несколько таких вторичных изображений. (По Ч. Т. Каннингэму и Дж. М. Бардину.)

Это новое изображение разделится на два. Одно станет двигаться против часовой стрелки, завершая оборот по орбите, другое же пойдет по часовой стрелке и встретится с первоначальным вторичным изображением. Такие множественные вторичные изображения возникают вследствие вращения чёрной дыры. Мировая линия при обороте в одну сторону вокруг чёрной дыры отличается от мировой линии при движении в другую сторону вокруг неё. Различие между траекториями обращения лучей света в прямую и в обратную стороны вокруг керровской чёрной дыры приводит к возникновению нескольких вторичных изображений.

Разумеется, у видимой звезды будут изображения и более высоких порядков. Лучи света, сделавшие два, три или четыре оборота вокруг чёрной дыры, дадут сложную систему изображений. Однако большая часть всего излучения видимой звезды будет сконцентрирована лишь в первичном и вторичных изображениях, так что изображения высших порядков будут исключительно слабыми.

Чтобы гравитационная фокусировка в поле чёрной дыры играла достаточно существенную роль, чёрная дыра и видимая звезда, образующие двойную систему, должны наблюдаться на небе близко друг к другу. Далее, Земля, чёрная дыра и видимая звезда должны находиться почти на одной прямой. Однако если чёрная дыра и видимая звезда находятся близко друг от друга, то крайне маловероятно, чтобы астроном вообще мог увидеть, как движутся около друг друга отдельные изображения. Эти изображения окажутся столь близкими друг к другу, а их перемещения будут такими незначительными, что даже в самые мощные телескопы вся система будет выглядеть как одно неподвижное пятно. Поэтому вряд ли астрономам когда-либо удастся открыть чёрную дыру по необычному поведению видимой звезды в двойной системе. Однако существует и другой эффект, позволяющий питать некоторые надежды.