Физика черных дыр - Новиков И.Д.
Скачать (прямая ссылка):
В конце шестидесятых годов после открытия пульсаров (нейтронных звезд) перед астрофизиками с особой остротой встал вопрос о возможности обнаружения черных дыр. Анализ падения (аккреции) вещества на оди-
6
ночные черные дыры и на черные дыры, входящие в состав двойных систем, позволил предсказать, что аккрецирующие черные дыры могут быть мощными источниками рентгеновского излучения [Новиков, Зельдович(1966), Шкловский (1967*), Бербидж (1972)]. Развитие рентгеновской астрономии и исследования на рентгеновских спутниках, начатые в 70-е годы, позволили обнаружить ряд рентгеновских источников, один из которых, расположенный в созвездии Лебедя (Cyg Х-1), по-видимому, является черной дырой.
Длительные исследования этого объекта, проводящиеся уже около 15 лет, дают все новые подтверждения сделанному предположению. В настоящее время имеется еще несколько подобных ’’кандидатов” в черные дыры. Кроме того, есть веские основания считать, что в ядрах активных галактик (а может быть, и во всех ядрах галактик) и в квазарах имеются сверхмасеивные черные дыры [см. Блендфорд, Торн (1979), Рис (1982)].
Обсуждение вопросов, связанных с возможными наблюдательными проявлениями черных дыр, привлекло внимание к задачам о движении частиц и физических полей в пространстве-времени стационарных черных дыр.
К настоящему времени эта задача, носящая в основном математический характер и связанная с интегрированием уравнений геодезических и построением разложения по собственным функциям инвариантных волновых операторов в метрике Керра, в значительной части решена. Полученные здесь многочисленные результаты подытожены в появившейся недавно книге Чандрасекара (1983) ’’Математическая теория черных дыр”.
He успела затихнуть ’’сенсация”, вызванная возможным обнаружением черной дыры, как новый неожиданный результат, полученный Хокингом (1974, 1975), снова привлек внимание физиков к черным дырам. Оказалось, что неустойчивость вакуума в сильном гравитационном поле черной дыры приводит к тому, что черные дыры являются источником излучения, и если их масса мала, они могли бы успеть распасться за время, меньшее времени жизни Вселенной. Подобные малые черные дыры, получившие название первичных, по-видимому, могли образовываться только на очень ранней стадии эволюции Вселенной [Зельдович, Новиков (1966*, 1967*), Хокинг (1971а)]. Обнаружение первичных черных дыр или доказательство отсутствия их или продуктов их распада позволяет в принципе получить ценную информацию о физических процессах, происходивших во Вселенной в то время.
Открытие Хокинга вызвало большое количество работ, в которых были исследованы особенности квантовых эффектов в черных дырах. Наряду с детальным описанием эффектов, связанных с рождением реальных частиц, вылетающих на бесконечность, в последние годы удалось значительно продвинуться в понимании эффекта поляризации вакуума вблизи черных дыр. Этот эффект важен для построения полного квантового описания ’’испаряющейся” черной дыры.
Данная книга посвящена систематическому изложению физики черных дыр. Содержание книги построено следующим образом.
Авторы стремились сделать весь материал в начале книги особенно доступным и простым, чтобы наглядно ввести некоторые важнейшие понятия и подчеркнуть основные проблемы. В первую очередь это относится к гл. 2.
7
В ней излагаются свойства простейшей сферической черной дыры. Здесь мы знакомим читателя и со свойствами пространства-времени внутри черной дыры.
В третьей главе рассмотрено распространение слабых физических полей в окрестности черных дыр. Особое внимание уделяется эволюции слабых гравитационных полей. Этот вопрос важен для проблемы устойчивости черной дыры относительно внешних возмущений, а также для проблемы излучения гравитационных волн телами (и полями), движущимися около черных дыр. Здесь же рассмотрен вопрос о возникновении черной дыры при коллапсе тела с малыми отклонениями от сферичности.
Четвертая глава посвящена знакомству с важнейшими свойствами вращающейся черной дыры, а также черной дыры, обладающей электрическим зарядом.
Пятая глава содержит изложение общей теории нестационарных черных дыр и результатов относительно существования сингулярностей в черных дырах.
В шестой главе приводится доказательство теоремы единственности для стационарных черных дыр.
Седьмая глава посвящена методам анализа электромагнитных полей вблизи стационарной черной дыры, основанным на ”3 + 1”-разбиении пространства-времени.
В восьмой главе обсуждаются различные физические эффекты в поле черных дыр: суперрадиация, сдвиг собственной энергии заряженных частиц, взаимное превращение электромагнитных и гравитационных волн, а также движение и деформация черных дыр во внешнем поле и их взаимодействие друг с другом.
Девятая и десятая главы посвящены квантовой физике черных дыр. В девятой главе излагается общее решение задачи о рождении частиц в поле стационарной черной дыры. В десятой главе собраны результаты, касающиеся поляризации вакуума в окрестности черных дыр.
