Общая теория относительности - Хокинга В.
Скачать (прямая ссылка):
Поскольку она имеет дело с физикой больших объемов материи — обращающейся
вокруг дыры и аккрецирующей на дыру,— она подвержена всем запутанным
неясностям и неопределенностям современной теории поведения больших
количеств материи. Если на Земле грозы и ураганы не поддаются точному
теоретическому моделированию, то можно ли надеяться предсказать хотя бы
качественно поведение их аналогов в турбулентной, замагниченной плазме,
которая аккрецирует на черную дыру в двойной системе? Нельзя. Самое
лучшее, чего можно ожидать,— это получение очень грубых моделей буйного
поведения материи в окрестности черной дыры.
К счастью, однако, окончательные модели имеют некую скромную надежду
походить на реальность. Это происходит потому, что относительная важность
физических процессов вблизи дыры может быть охарактеризована
безразмерными отношениями, которые обычно оказываются очень большими,
откуда следует, что буйное поведение материи вблизи дыры определяется
небольшим числом процессов. Задача автора модели заключается в
идентификации доминирующих процессов в заданной ему ситуации и в
получении приближенных уравнений, описывающих их макроскопические
проявления. История показывает, что идентифицировать главные процессы
нелегко. Это связано с многочисленностью возможных процессов, подлежащих
рассмотрению, и часто автор модели, даже вполне компетентный, может
пропустить важный процесс.
Таким образом, исследования в области астрофизики черных дыр опираются на
многие разделы физической теории. В каждом таком разделе надо как свои
пять пальцев знать приближенные формулы, характеризующие длинный список
возможных, относящихся к делу процессов. Необходимые области включают
ОТО, физику равновесной и неравновесной плазмы, физику радиационных
процессов и физику динамических звездных систем. Те характерные процессы,
III. Астрофизика черных дыр
167
которые были идентифицированы как важные для астрофизики черных дыр к
1972 г., собраны в обзоре Новикова и Торна [135|. После 1972 г.
теоретики, рассматривающие возможные сценарии с участием черных дыр,
столкнулись с новыми важными процессами, включающими: 1) возможность
различной электронной и протонной температуры в плазме вокруг черной дыры
(фундаментальная теория изложена Спитцером [190], приложения — Шапиро,
Лайт-маном и Эрдли [182]); 2) электродинамические процессы вблизи дыр
[26] и 3) звезднодинамические процессы в окрестности черных дыр (см.
обзор Лайтмана и Шапиро [114]).
Исследования по астрофизике черных дыр требуют также хорошего знания
феноменологии современной астрономии — наблюдаемых свойств звезд,
основных особенностей их эволюции, структуры Галактики и наблюдаемых
физических условий в межзвездном пространстве. Возможный путь изучения
этих вопросов — чтение соответствующих разделов хорошего элементарного
учебника по астрономии (например, [1,93,126, 152]) и вслед за этим
просматривание астрономических статей за последние 10 лет в журнале
Scientific American. Только после этого читатель реально готов
воспринимать обзорные статьи из журнала Annual Reviews of Astronomy and
Astrophysics l).
Стиль работы в астрофизике черных дыр сильно отличается от стиля работы в
ОТО или других областях фундаментальной теории. Грубо говоря, этот стиль
состоит в следующем:
1. Устанавливается возможный сценарий для характерной роли черных дыр в
реальной вселенной. [Пример: черная дыра, покоящаяся в межзвездной среде,
будет аккрецировать межзвездный газ; падающий газ мог бы достаточно
сильно нагреться, так, чтобы излучать значительно раньше того момента,
когда он достигнет горизонта, и излучение могло бы быть настолько
сильным, чтобы наблюдаться на Земле. Этот сценарий впервые был установлен
Солпи-тером [174] и Зельдовичем [228] и детально изучен Шварцманом 1185],
Мишелем [131], Шапиро [179, 189], Принглом, Рисом и Па-хольчиком [163],
Межаросом [129] и Бисноватым-Коганом [20].]
2. Угадывается макроскопическое описание физики сценария и решаются
соответствующие макроскопические уравнения, чтобы получить первый грубый
вариант модели. [Пример: предполагается, что аккрецирующий газ может
рассматриваться как идеальная гидродинамическая жидкость с плотностью
р(г), давлением р(г) и радиальной скоростью о (г), движущаяся в
сферически-симметрич-ном ньютоновском потенциале Ф=—GMIr черной дыры с
массой М. Предполагают и надеются, что микроскопическая физика будет в
конечном счете давать «политропическую» зависимость давления от плотности
p=Kpv для некоторых констант К н у. Это позволяет
*) Можно рекомендовать также учебники [234 — 238], журнал «Природа» и
журнал «Успехи физических наук» — в той же последовательности.— Прим.
перев.
168
Р. Д. Блэндфорд, К• С. Торн
отделить гидродинамические уравнения от уравнений для радиационного
охлаждения и теплопереноса и на время отложить рассмотрение процессов
охлаждения и теплопереноса. Затем решаются стандартные гидродинамические
уравнения с граничными условиями на бесконечности, соответствующими
