Может ли свет (или фотоны) формировать орбиты вокруг черной дыры?
Черные дыры генерируют одну из самых сильных гравитационных сил во Вселенной. Она настолько сильна, что может заставить свет вращаться вокруг черной дыры.
Черная дыра обладает экстремальным гравитационным притяжением из-за своей невероятно высокой плотности. Поскольку ее горизонт событий является точкой невозврата и захватывает даже свет, она притягивает к себе множество экстремальных и высокоэнергетических физических явлений.
Вы, вероятно, уже знаете, что свет не может вырваться из лап черной дыры, как только он попадает за горизонт событий. Поэтому представляется возможным, что свет также может падать на орбиту вокруг черной дыры. Физики даже назвали некоторые сферические области вокруг черных дыр "фотонными сферами".
Это, вероятно, одна из самых странных областей во Вселенной: физики предполагают, что, оказавшись внутри фотонной орбиты, можно увидеть свой затылок!
В этой статье мы попытаемся понять, как выглядят эти орбиты и как природа черной дыры влияет на траекторию движения фотонов вокруг черной дыры. Для этого нам необходимо рассмотреть свойства черных дыр.
Теорема об отсутствии волос и типы черных дыр
С теоретической точки зрения мы можем изобразить черные дыры с помощью трех величин: массы, спина и заряда. Это свойство черной дыры, когда мы характеризуем ее с помощью всего трех чисел, известно как теорема об отсутствии волос.
Физики разработали математические модели, которые помогли бы объяснить гравитационные свойства черных дыр с такими характеристиками. Например, немецкий физик Карл Шварцшильд разработал уравнения, описывающие области вокруг стационарной невращающейся черной дыры с нулевым зарядом. Шварцшильд добился этого, решив знаменитые уравнения поля Эйнштейна в общей теории относительности. Такие черные дыры (невращающиеся и не имеющие заряда) теперь называются черными дырами Шварцшильда.
Аналогичным образом новозеландский математик Рой Керр первым описал область пространства (и времени) вокруг вращающейся черной дыры без заряда и ее гравитационное воздействие. Такие типы черных дыр соответственно называются черными дырами Керра.
Наконец, черные дыры, содержащие заряд, но не имеющие спина, называются черными дырами Рейсснера-Нордстрема, а черные дыры, имеющие и электрический заряд, и спин, называются черными дырами Керра-Ньюмана. Эти дыры названы нами по именам физиков, решивших для таких черных дыр уравнения поля Эйнштейна. Полученные ими решения позволяют описать гравитационное воздействие черных дыр на окружающие их объекты.
Следует отметить, что формулировка теоремы об отсутствии волос произошла уже после открытия и публикации упомянутых выше черных дыр. Здесь мы рассмотрим фотонные орбиты в случае черных дыр Шварцшильда, Керра и Керра-Ньюмана.
Фотонные орбиты для черных дыр Шварцшильда
Перейдем к рассмотрению фотонных сфер. Это сферическая область радиусом около 3ГМ/c2 м, удаленная от центра черной дыры, где G - универсальная гравитационная постоянная, M - масса черной дыры, c - скорость света. Важно отметить, что это относится только к черным дырам Шварцшильда, но не к другим типам. Фотон может находиться на любой из круговых орбит, имеющихся на фотонной сфере, которые могут иметь различное наклонение.
В черной дыре Шварцшильда круговые световые орбиты, сформированные в фотонной сфере, относительно неустойчивы. Это означает, что если нарушить движение фотона по орбите вокруг черной дыры Шварцшильда, то он больше не будет двигаться по этой орбите. Фотоны, опустившиеся хоть немного ниже этой орбиты, упадут в черную дыру, а если чуть выше, то уйдут в космическое пространство.
А что же с другими видами черных дыр? С этого момента математика начинает усложняться. По мере учета каждого свойства (сначала спина, затем и спина, и заряда и т.д.) становится все труднее получить радиусы фотонных орбит, их устойчивость и энергию.
Фотонные орбиты для черных дыр Керра и Керра-Ньюмана
В случае черных дыр Керра возможно несколько сферических орбит. Из них две являются обычными круговыми орбитами, лежащими вдоль экватора вращающейся черной дыры, одна из которых будет лежать вдоль того же направления, в котором вращается черная дыра, а другая - в противоположном направлении.
Однако другие типы орбит не совсем круговые. Хотя их траектории находятся на фиксированном расстоянии от черной дыры, орбита существует на сферической поверхности, часто имеющей вид спирали. Если смотреть со стороны черной дыры, то некоторые из этих орбит колеблются между двумя фиксированными широтами, сосредоточенными вокруг экватора. Другие орбиты располагаются вдоль долготы, проходя почти вплотную к полюсам черной дыры.
Поскольку такие орбиты проходят вдоль поверхности сферы, окружающей черную дыру, они называются сферическими орбитами. Хотя сама орбита находится на фиксированном расстоянии от черной дыры, различные орбиты будут находиться на разных радиальных расстояниях от нее в зависимости от свойств черной дыры, таких как ее масса и скорость вращения.
Если речь идет о черных дырах Керра-Ньюмана, то орбиты должны учитывать также заряд и спин черной дыры. Теоретически физики установили, что одна из возможных сферических орбит может проходить через полюса черной дыры. Также возможны две или три круговые орбиты вдоль ее экватора, которые зависят от заряда и скорости вращения черной дыры.
В других случаях, когда орбиты не проходят ни вдоль экватора, ни через полюса, таких сферических орбит обычно одна или две. Их количество зависит от того, насколько она наклонена по отношению к экватору. Если наклон больше некоторого значения (называемого критическим углом наклона), то возможны две сферические орбиты. Если же он меньше этого значения, то существует только одна такая сферическая орбита. Значение критического угла наклона сильно зависит от скорости вращения черной дыры.
Некоторые оговорки
В приведенных выше случаях мы рассматривали черные дыры как самостоятельные объекты. В действительности орбиты фотонов могут зависеть и от других внешних факторов. Одним из таких факторов является то, что сверхмассивные черные дыры обычно имеют диски материи и излучения, окружающие их. Часть из них может переместиться за горизонт событий и увеличить массу черной дыры. Это, в свою очередь, повлияет на орбиты фотонов.
Мы также не учли квантовые эффекты на границе горизонта событий, включая такие, как излучение Хокинга. Все, что было представлено в данной статье, относится строго к общей теории относительности.
Однако в большинстве случаев физики считают (или, по крайней мере, предполагают), что черная дыра Керра легко описывает реальную черную дыру. Существуют исследования, в которых предпринимаются попытки определить точные формы этих орбит, чтобы сверить их с возможными наблюдениями за орбитами фотонов, которые мы можем получить в будущем. Некоторые предсказания учитывают отклонения, возникающие из-за других эффектов в среде черной дыры. Хотя их обнаружение может быть затруднено, поскольку фотон на орбите вокруг черной дыры, скорее всего, никогда не достигнет нас, они представляют собой ценный способ проверки наших теорий о черных дырах и даже помогают открыть новые области физики!