Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 65

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.

До сих пор мы рассматривали расположение различных изображений при обращении видимой звезды вокруг чёрной дыры. При орбитальном движении эти изображения меняются по яркости. Учтя полную яркость всех изображений вместе взятых, Каннингэм и Бардин обнаружили, что через определённые промежутки времени яркости изображений будут складываться. По крайней мере один раз за каждый оборот свет видимой звезды будет необычайно ярким, и она будет на короткое время казаться несравненно ярче, чем обычно.

Астрономам известно множество двойных звёзд, которые периодически становятся то ярче, то слабее. Если двойная система ориентирована в пространстве таким образом, что одна звезда время от времени оказывается за другой, то происходят затмения звёзд. Во время затмения одна звезда экранирует часть света, идущего от другой. Световой поток от такой затменной двойной системы периодически падает, как видно из рис. 15.12, как только наступает затмение. И даже если астрономы не могут различить двух отдельных звёзд в системе с помощью телескопа, они в состоянии с помощью наблюдений периодических спадов кривой блеска сделать уверенный вывод о том, что перед ними - затменная двойная система.

РИС. 15.12. Затменная двойная система. Если двойная система ориентирована таким образом, что одна звезда время от времени проходит перед другой, полное количество света, испускаемое системой в нашу сторону, периодически убывает. Даже если астрономы, как это часто бывает, не могут увидеть по отдельности звёзд в такой затменной двойной системе, характерная форма кривой блеска выдаёт наличие двух звёзд.

Если одним из компонентов затменной двойной системы является чёрная дыра, то она будет периодически фокусировать свет от видимой звезды. На краткое время при каждом обороте видимая звезда будет казаться необычно яркой. Кривая блеска такой двойной системы будет иметь периодические пики, изображенные на рис. 15.13. И если когда-нибудь обнаружат двойную систему с такими аномальными пиками, то будет весьма вероятно, что в её состав входит чёрная дыра.

РИС. 15.13. Кривая блеска для двойной системы, включающей чёрную дыру. Фокусирующее действие чёрной дыры, входящей в двойную систему, должно давать пики на соответствующей кривой яркости.

16

ВЗРЫВАЮЩИЕСЯ ГАЛАКТИКИ И МАССИВНЫЕ ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

В XVIII и XIX вв. астрономы очень увлекались поисками комет. Маститые астрономы Западной Европы ночь за ночью «прочесывали» небо в поисках новых комет. Тем удачливым наблюдателям, которые смогли обнаружить одного или нескольких этих временных гостей окрестностей Солнца, присуждались премии и медали.

Новооткрытая комета часто имела в телескоп вид слабого туманного пятнышка. Лишь с приближением к Солнцу замерзшие газы в ядре кометы испаряются, и возникает характерный кометный хвост. Прослеживая ночь за ночью путь новооткрытой кометы на фоне неподвижных звёзд, можно рассчитать орбиту кометы вокруг Солнца. Если затем орбита приведет комету в близкие окрестности Солнца, то сможет испариться заметная часть замерзших газов ядра кометы. Будет наблюдаться «хвостатая звезда», нередко доступная невооруженному глазу. Однако обычно орбита кометы пролегает так далеко от Солнца, что объект всё время остаётся слабым пятнышком, различимым только в хороший телескоп.

Одна из трудностей, с которой столкнулись охотники за кометами, состояла в том, что на небе имеется много объектов, на первый взгляд выглядящих как кометы. Они видны в телескоп как расплывчатые маленькие пятнышки, но наблюдение их на протяжении многих ночей показывает, что они не меняют своего положения по отношению к окружающим звёздам. Это обстоятельство свидетельствует о том, что такие размытые объекты, или туманности, находятся очень далеко от Солнечной системы.