любое другое тело, обладающее массой, притягивает к себе другие тела. Поскольку масса черной дыры очень большая, то сила притяжения к центру черной дыры также очень большая. Если определять эту силу по формуле (закону) Ньютона, то в центре черной дыры сила притяжения окажется бесконечно большой. Это надо понимать так. Если мы мысленно приближаем данное тело к центру черной дыры, то расстояние между ними стремится к нулю. Если какое-либо число делить на нуль, то получится бесконечность. Значит, в центре черной дыры (как, собственно, и в центре любой звезды или вообще любого тела) сила притяжения бесконечно велика. Но если пользоваться формулой Эйнштейна, то сила притяжения становится бесконечной еще до того, как тело достигнет центра черной дыры, то есть на определенном расстоянии от этого центра. Это расстояние назвали гравитационным радиусом. Величина этого радиуса зависит от массы небесного тела. Чем меньше масса тела, тем меньше этот радиус. Для Земли гравитационный радиус равен одному сантиметру. Для Солнца он равен трем километрам, тогда как радиус Солнца составляет 700 тысяч километров. В обычных, рядовых случаях (как для Земли или даже Солнца) результаты, полученные по Ньютону и Эйнштейну, отличаются очень мало. Однако в случае очень массивного тела это различие очень большое.
Величину гравитационного радиуса можно определить по формулам теории относительности Эйнштейна. Это сделал К. Шварцшильд, поэтому гравитационный радиус еще называют радиусом Шварцшильда. Соответственно сферу с этим радиусом называют сферой Шварцшильда. Эта сфера имеет глубокий физический смысл. В пределах этой сферы притяжение столь велико, что от него не может ничто оторваться, даже свет. Так что звезда, радиус которой равен или меньше гравитационного радиуса, является невидимой. Другими словами, она является черной (от черного тела не исходит никакого излучения). Такую звезду называют не просто черной, но черной дырой. Дырой потому, что в нее все проваливается. Все, что оказалось на удалении от центра звезды, равном гравитационному радиусу. В черную дыру все проваливается потому, что на гравитационной сфере любое тело приобретает бесконечно большое ускорение свободного падения.
Если данное тело путем сжатия достигнет радиуса, равного гравитационному радиусу, то дальше оно само будет неумолимо сжиматься, поскольку на него будет действовать бесконечно большая сила притяжения, направленная к центру. Но если тело сжимается такой огромной (бесконечно большой) силой, то процессы (в том числе и время) здесь будут протекать по-иному. Так, при свободном падении наступает состояние невесомости. Другими словами, свободно падающее тело не испытывает действия гравитационной силы. Таким образом, на поверхности свободно сжимающегося тела другое тело не будет ощущать на себе никакой силы тяготения. Собственно, это происходит как внутри гравитационной сферы, так и вне ее.
Таким образом, увлекаемое тяготением вещество не может остановиться на гравитационной сфере. В противном случае оно испытало бы на себе бесконечную силу тяготения. Но это падающее к центру вещество не может остановиться и тогда, когда окажется внутри гравитационной сферы. Если любое тело (частица, вещество, космический корабль и т. д.) оказалось внутри гравитационной сферы, то оно будет обязательно падать к центру. Такое тело испытывает на себе катастрофическое сжатие. Это состояние физики называют релятивистским коллапсом. Таким образом, черную дыру можно получить (чисто мысленно) так. Надо любое тело сжать до гравитационного радиуса. Дальше все пойдет само — тело под действием бесконечно большой силы гравитации само сожмется в точку, или почти в точку. Но такой процесс образования черных дыр является не просто мысленным. Во Вселенной он является вполне реальным. В ходе естественной эволюции во Вселенной большие массы могут самопроизвольно превращаться (и превращаются) в черные дыры.
НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА ЧЕРНЫХ ДЫР
Речь идет о том, как движутся небесные (и другие предполагаемые) тела вблизи черных дыр. Если исходить из формулы (закона) Ньютона, то ничего особенного в этом движении нет, то есть тело, оказавшееся вблизи черной дыры, должно двигаться, как обычно. Например, оно может двигаться вокруг черной дыры по окружности даже в том случае, если оно очень близко подошло к поверхности дыры. На самом деле, то есть по теории Эйнштейна, любое тело по мере приближения к черной дыре будет все больше и больше увеличивать свою скорость. Когда тело приблизится к дыре (точнее, к ее центру) на полтора гравитационных радиуса, его скорость уже достигнет скорости света — 300 тысяч километров в секунду. Большей скорости быть не может, поэтому мы можем сделать вывод, что по теории Эйнштейна тело дальше приближаться к дыре не может.
Более детальный анализ ситуации в рамках теории относительности Эйнштейна показывает, что реальная картина движения любого тела в окрестности черной дыры значительно сложнее. Прежде всего, тело может двигаться вокруг черной дыры по круговой орбите только на удалениях от ее центра, больших трех гравитационных радиусов. На этом расстоянии скорость тела составляет всего половину скорости света. Если тело будет находиться ближе к центру черной дыры, то его движение станет неустойчивым и оно сорвется со своей траектории. Неустойчивость в физике состоит в том, что малейшие возмущения, любые самые ничтожные толчки заставят вращающееся тело уйти со своей орбиты. В результате тело или упадет на черную дыру, или же улетит обратно в космическое пространство, все более и более удаляясь от черной дыры. Может реализоваться и третий вариант — тело будет захвачено черной дырой. По формуле Ньютона гравитационный захват одного небесного тела другим невозможен. Если одно тело приближается к другому, то опишет вокруг массивного тела параболу или гиперболу и снова улетит в космос. Правда, тут возможен и вариант, при котором тело наткнется на массивное тело, стукнется об него. Движение происходит в очень сильном поле тяготения черной дыры. Поэтому на самом деле характер движения изменится. Пока тело движется далеко от черной дыры, все остается по-старому, в согласии с формулой Ньютона. Но если тело пролетает достаточно близко от черной дыры, то его орбита искажается, она не является ни параболой, ни гиперболой. Тут все зависит от того, насколько тело приблизилось к черной дыре. Так, если оно оказалось вблизи двух гравитационных радиусов, то оно обернется вокруг черной дыры несколько раз и после этого улетит обратно в космос. Если же тело подойдет вплотную к сфере с радиусом, равным двум гравитационным радиусам, то орбита тела будет навиваться на эту сферу. Другими словами, тело будет захвачено черной дырой, и обратно в космос оно уйти не может. Если же тело проникло еще ближе к черной дыре, то оно просто-напросто упадет в черную дыру и, естественно, его можно также считать гравитационно захваченным.
Все сказанное выше относится к тому случаю, когда массивное тело (черная дыра) не вращается. Если же учесть вращение черной дыры, то описанная выше картина существенно изменится. Кстати, это следует только из теории Эйнштейна. Теория Ньютона этой разницы не замечает. Для нее важно только одно — масса тела, а вращается оно или нет — ей безразлично.
Что же изменяется в том случае, если черная дыра вращается? Вокруг любого тела при вращении возникает (создается вращением) так называемый гравитационный вихрь, добавочное вихревое гравитационное поле. Это поле увлекает за собой все тела, находящиеся в окрестности черной дыры, в круговое движение.
Несколько упрощенно можно представить себе, что слои пространства вокруг вращающегося массивного тела медленно вращаются вокруг этого вращающегося тела. Но это вращение пространства весьма своеобразно: угловая скорость вращения тем больше, чем ближе к вращающемуся телу. Если тело имеет обычную массу (как любая звезда), то этот эффект практически незаметен. Он проявляется у таких массивных тел, как черная дыра.
Описанный гравитационный вихрь можно реально замерить. Для этого можно использовать гироскоп, такой же, какой используют для ориентации космических кораблей. Вблизи вращающегося тела гироскоп медленно поворачивается. Угол поворота зависит от массы вращающегося тела. Так, для крохотной Земли за счет ее вращения гироскоп поворачивается примерно на десятую долю угловой секунды в год. Это, конечно, ничтожно мало. Но вокруг вращающейся черной дыры вращение гироскопа должно быть быстрым. Черная дыра образуется из нейтронной звезды, которая сжимается. Нейтронные звезды могут вращаться со скоростью в несколько десятков и более оборотов в секунду. Вблизи такой быстро вращающейся звезды
