Гравитационный коллапс

Гравитационный коллапс

Открытие мощных источников радиоизлучения за пределами нашей галактики поставило перед современной астрономией множество интереснейших вопросов. Наиболее важный из них можно сформулировать так: «Откуда эти источники радиоизлучения черпают колоссальную энергию». Расчеты показывают, что за время своей жизни источник радиоизлучения расходует количество энергии порядка 1060 эрг — это эквивалентно запасу ядерной энергии примерно сотни миллионов солнц.

Ф. Хойл и У. Фоулер выдвинули замечательную гипотезу, согласно которой источником этой энергии служит гравитационный коллапс (стремительное сжатие) сверхзвезды. Такой объект, обладающий гигантской массой — примерно в сто миллионов раз больше массы Солнца, должен был, по предположению, располагаться в центре галактики.

Вскоре после этого благодаря соединенным усилиям оптической и радиоастрономии удалось выяснить, что два очень ярких, похожих на звезды объекта являются источниками радиоизлучений. Один из них, источник, занесенный в третий кембриджский каталог источников радиоизлучений под шифром ЗС 273, является самым ярким из всех известных во Вселенной объектов. Впоследствии удалось найти еще несколько аналогичных объектов. Сейчас известно уже девять таких источников радиоизлучения, похожих на звезды.

Был созван международный симпозиум по проблеме гравитационного коллапса. Надо было обсудить много новых вопросов, которые встали перед учеными; являются ли эти необычные объекты результатом гравитационного сжатия, протекающего со стремительностью взрыва? Как гравитационная энергия преобразуется в радиоволны? И последний по счету, но не по важности, с точки зрения теоретиков, вопрос; приводит ли гравитационный коллапс к неограниченному сжатию и появлению необычных свойств пространства-времени?

Последнему из этих вопросов и посвящена данная статья. Сама возможность того, что объекты, обладающие столь колоссальной массой, могут существовать в природе, заставила теоретиков переосмыслить их взгляды, основанные на общей теории относительности.

К БЕСКОНЕЧНОЙ ПЛОТНОСТИ

Вообразите сферическое облако пыли, каждая частица в котором притягивает остальные в соответствии с ньютоновским законом тяготения. Облако в целом начнет сжиматься. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока в действие не вступят другие силы. Предположим на миг, что других сил нет. Тогда, как показывает простой расчет, облако сожмется в точку за конечное время. Если начальная плотность облака равна одному грамму на кубический сантиметр, то понадобится примерно полчаса на то, чтобы облако сжалось до бесконечно малых размеров.

Естественно возникает вопрос: почему же все те объекты, которые мы видим вокруг, не сжимаются под действием собственных гравитационных сил? Ответ на этот вопрос, очевиден: мешает действие других сил. Гравитация — очень слабая сила по сравнению с другими силами. Так, например, силы электрического взаимодействия между двумя электронами более чем в 1040 раз превышают силы их гравитационного взаимодействия. Поэтому в обычных телах гравитационный коллапс не возникает.

Совсем иная ситуация складывается, однако, в случае объектов, обладающих колоссальной массой, таких, которые рассматривались Фоулером и Хойлом. Чем больше масса, тем мощнее будут гравитационные силы. Действительно, для таких объектов гравитационные силы настолько велики, что ни одна из известных сил, по-видимому, не может предотвратить гравитационный коллапс.

Согласно ньютоновской теории, если гравитационный коллапс неограничен, то, следовательно, все вещество должно концентрироваться в точку и приходить в состояние бесконечно большой плотности. Вправе ли мы полагаться в данном случае на ньютоновскую теорию?

ЭКСКУРС В ТЕОРИЮ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Ньютоновская теория тяготения, несмотря на то, что она превосходно описывает гравитационные явления на Земле и в Солнечной системе, не вполне свободна от логических затруднений. Так, например, по Ньютону, гравитационное взаимодействие мгновенно: оно распространяется с бесконечной скоростью, и его результаты дают о себе знать мгновенно. Этот вывод противоречит специальной теории относительности, согласно которой ни одно взаимодействие не распространяется быстрее, чем свет. Около пятидесяти лет назад Эйнштейн предложил теорию гравитации, которая согласуется со специальной теорией относительности и во многих отношениях сходится с ньютоновской теорией. Речь идет об общей теории относительности.

Общая теория относительности использует то замечательное свойство гравитации, что ее нельзя «выключить». Гравитация существует всегда и всегда влияет на все материальные частицы. В этом отношении гравитация отличается от всех других сил, известных в физике. Электрические силы действуют только на заряженные частицы. Электрон (отрицательно заряженная частица), протон (положительно заряженная частица) и нейтрон (частица, лишенная заряда) будут по-разному вести себя в электрическом поле. В гравитационном же поле они будут двигаться совершенно одинаково. Это понял Галилей более трехсот лет назад, когда он говорил, что все тела, независимо от их массы, падают с равной быстротой.

Эйнштейн, объясняя это свойство гравитации, считал, что гравитация тесно связана с природой пространства и времени. Первый закон Ньютона гласит, что тело находится в состоянии равномерного прямолинейного движения, если на него не действует внешняя сила. Предположим, что мы сделали выстрел из пушки, установленной под углом 45° к вертикали. Если бы не было силы земного притяжения, снаряд продолжал бы двигаться по прямой, направленной под углом 45° к вертикали. Однако действие гравитации заставляет снаряд двигаться по параболической траектории. Поскольку гравитация есть нечто такое, от чего избавиться невозможно, то не имеет никакого смысла говорить о законах движения вне гравитации. Приведенный пример показывает, что при наличии гравитации — и при отсутствии любых других сил — частицы движутся вдоль кривых, а не прямых линий. Однако мы можем назвать эти кривые линии «прямыми линиями», если мы изменим законы геометрии. Вот к этому и направлена общая теория относительности. Присутствие гравитации дает основание сказать, что геометрия пространства-времени не является эвклидовой. Этот вывод и выражен количественно в уравнениях Эйнштейна.

РЕШЕНИЕ ШВАРЦШИЛЬДА

Уравнения Эйнштейна описывают, как искривление пространства-времени (их неэвклидовый характер) связано с распределением вещества. Хотя идеи, положенные в их основу, просты и изящны и сами уравнения можно записать в компактной форме, точное решение любой проблемы общей теории относительности — дело исключительно сложное, в основном из-за неэвклидовой природы пространства-времени. В результате удалось получить точные решения лишь очень немногих задач теории. Одно из них было получено в 1916 году Карлом Шварцшильдом.

Согласно этому решению, гравитационное поле на большом удалении от тела более или менее точно описывается ньютоновой теорией. Другими словами, она достаточно близко согласуется с законом обратной пропорциональности квадрату расстояния. Однако по мере приближения к притягивающей массе расхождение становится все более существенным. Как и можно было ожидать, гравитационное притяжение становится все сильнее. Но — и это не учитывает ньютонова теория — сильному гравитационному полю сопутствует сильное искривление геометрий пространства-времени.

Рассмотрим наиболее яркий случай, когда притягивающая масса сосредоточена в точку. При этом искривление пространства-времени приводит к очень любопытной ситуации. Оказывается, вокруг массы можно построить сферу с конечным радиусом, известным под названием радиуса Шварцшильда (гравитационного радиуса), которая будет служить своего рода барьером для сигналов. Ни один физический сигнал не сможет выйти изнутри наружу, за пределы этого барьера, однако сигналы извне смогут проникать внутрь этой сферы!

Может ли такая ситуация возникнуть практически? Да, может, при условии, что тело настолько мало, что оно располагается внутри сферы, описанной гравитационным радиусом. Тела, которые окружают нас, не удовлетворяют этому условию. Например, гравитационный радиус Солнца равен примерно 3 километрам, тогда как действительный его радиус равен примерно 700 тысячам километров.

Однако в случае гравитационного коллапса тело может сжаться до размеров столь малых, что в конечном счете оно окажется внутри гравитационной сферы. То, что произойдет в этом случае, могло бы послужить хорошей основой для научно-фантастического романа.

Продолжение следует.

Автор: Д. Нарликар, перевод с английского.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что тема гравитационного коллапса, расширения или наоборот сжатия нашей Вселенной порой привлекает не только ученых астрофизиков, но и философов, общественных деятелей, таких как, к примеру, Вячеслав Моше Кантор — президент Европейского еврейского конгресса.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *