ЭНЕРГИЯ ВРАЩЕНИЯ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

Процессы, протекающие в окрестности черной дыры, которые мы до сих пор рассмотрели, предоставляют возможность для использования ее гигантской гравитационной энергии. Так, частица массой кружащаяся вокруг вращающейся черной дыры, излучает, как мы видели выше, гравитационные волны, уносящие около 40% полной энергии частицы Однако сама частица (и часть гравитационных волн) в конце концов падает в черную дыру, увеличивая ее массу и размеры. Аналогично этому потоки газа в диске вокруг черной дыры выделяют столько же энергии в виде электромагнитных воли и также сваливаются в черную дыру.

Естественно, возникает вопрос, а нельзя ли придумать какие-либо процессы, сопровождающиеся уменьшением размеров черной дыры, и извлечь тем самым энергию, связанную не с объектом, движущимся вокруг черной дыры, а энергию самой черной дыры?

Прежде всего необходимо уточнить вопрос. Полная энергия черной дыры — это ее полная масса, умноженная на квадрат скорости света: . В эту полную энергию (или массу) входит также и энергия вращения черной дыры. Таким образом, полная энергия (масса) черной дыры определяется как ее размерами (площадью ее границы — горизонта), так и ее вращением. Оказывается, полная масса следующим образом может быть выражена через площадь горизонта и угловой момент черной дыры:

Если вращение отсутствует то полная массл определяется только площадью горизонта. В обшем же случае второе слагаемое в подкоренном

выражении формулы описывает вклад вращательной энергии в массу черной дыры. Таким образом, размер черной дыры и ее масса (энергия) при наличии вращения неоднозначно определяют друг друга. Поэтому изменение массы (энергии) черной дыры еще не означает обязательно изменение ее размеров. Следовательно, наш вопрос необходимо разделить на два.

1) Существуют ли процессы, извлекающие энергию из черной дыры и уменьшающие ее массу?

2) Существуют ли процессы, уменьшающие размеры черной дыры?

(Мы говорим именно об уменьшении размеров, ибо для увеличения ее размеров достаточно бросить в черную дыру какое-либо тело.)

Начнем с первого вопроса.

Все, что мы узнали о черных дырах, заставляет предполагать отрицательный ответ на него. Действительно, мы знаем, что из черной дыры ничто не выходит, значит, из-под горизонта нельзя извлечь энергию. Это верно. Но мы упустили в этом рассуждении, что часть энергии (а значит, и массы) вращающейся черной дыры, связанная именно с вращением, находится, образно говоря, вне черной дыры и заключена в вихревой компоненте ее поля. Вот эту врашательную часть энергии и можно, оказывается, отнять от черной дыры, уменьшив ее массу.

Уменьшить вращение черной дыры относительно просто. Надо бросать во вращающуюся черную дыру тела с некоторым прицельным параметром, целясь так, чтобы они приближались к эргосфере, двигаясь в сторону, противоположную вращению дыры. Эти тела, захватываюсь черной Дырой, будут привносить в нее помимо своей массы еще и свой угловой момент. Мы прицеливались так, чтобы угловой момент тел был противоположен моменту черной дыры. Поэтому после захвата угловой момент дыры уменьшается. Однако при этом мы нег извлекаем никакой энергии (за исключением сравнительно небольшой энергии гравитационного излучения падающих тел). Ведь энергия падающих частиц исчезает в бездне чёрной дыры. Ее масса и площадь поверхности горизонта при этом увеличиваются.

В 1969 г. английский физик Роджер Пенроуз указал процесс, который позволяет извлекать вращательную энергию черной дыры. Суть его состоит в следующем.

Пусть в эргосферу вращающейся черной дыры

попадает падающее тело. Оно движется там в сторону ее вращения. Вблизи горизонта событий тело распадается на два. Можно так устроить распад, чтобы одна часть тела, получив толчок против движения, упала в черную дыру, а вторая, получив дополнительный импульс и ускорившись, с огромной скоростью вылетела из эргосферы, как бы выброшенная «пращой» гравимагнитных вихревых сил. Оказывается, что огромная скорость, с которой тело вылетает из эргосферы. намного превышает ту скорость, с которой тело, падая, подлетало к эргосфере. Энергия- вылетевшего тела колоссальна. Она не только намного больше небольших затрат энергии, затраченной на распад тела, но и гораздо больше полной энергии падающего тела, включая его энергию покоя

Откуда взялась столь большая энергия вылетевшего тела? Дело в том, что после распада вылетающее тело перешло на такую орбиту, где оно, подхваченное «гравитационным вихрем», было вышвырнуто из эргосферы. Значит, оно получило энергию от гравитационного вихря, т. е. от вращательной энергии черной дыры. Вращение черной дыры, ее угловой момент при этом уменьшаются. Уменьшается и полная масса черной дыры на величину, приобретенную улетевшим телом. Заметим, что площадь горизонта черной дыры при этом несколько увеличивается, так как часть тела, упавшая в черную дыру, принесла свою энергию.

Наибольшее количество вращательной энергии чёрной дыры тело может унести в том случае, когда распад происходит у самого горизонта. В этом случае размер горизонта не меняется (такие процессы получили название обратимых). Подобные процессы падения тел можно повторять многократно, и таким образом можно отнять у черной дыры всю вращательную энергию, не меняя её собственного размера.

Нетрудно определить, сколько таким способом можно выкачать вращательной энергии из черной дыры.

Масса вращающейся черной дыры задается приведенной выше формулой. Когда отнята вся вращательная энергия, черная дыра уже не вращается и остается только первое слагаемое в подкоренном выражении этой формулы. При максимально возможном большом вращении черной дыры второе слагаемое равно первому. Отсюда легко получаем, что из такой черной дыры можно извлечь энергию:

масса вращающейся черной дыры.

Заметим, что, как показал анализ реалистических естественных процессов вокруг черных дыр во Вселенной, их угловой момент должен быть очень близок к максимально возможному, составляя от него . Подчеркнем, что процесс, предложенный Р. Пенроузом, возможен только при распаде тела в эргосфере.

Нетрудно теперь представить себе машину, которая работает, получая энергию от вращающейся черной дыры. Пусть на нашей искусственной сфере вокруг черной дыры имеется устройство, сбрасывающее тела с нужным прицельным параметром в черную дыру. На каждом теле имеется несложное автоматическое устройство, обеспечивающее маленький взрыв с разделением тела на две части у горизонта событий, как это описано выше. Вылетающие из эргосферы с большой скоростью тела улавливаются другим устройством, использующим их энергию для нужд цивилизации.

Так обстоит дело с ответом на первый вопрос, поставленный в начале этого раздела. На второй вопрос ответить было гораздо труднее. Но и он в настоящее время решен. Оказалось, что площадь горизонта черной дыры никогда не уменьшается ни в каких процессах до тех пор, пока мы не обращаемся к квантовым процессам, о чем еще будет речь впереди. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то не уменьшается сумма площадей их горизонтов. Это один из законов физики черных дыр. Из него, например, следует, что ни при каких воздействиях черная дыра не может разделиться на две черные дыры. Если бы такое произошло, то при сохранении энергии сумма площадей горизонтов возникших черных дыр должна была бы быть меньше площади исходной черной дыры. (Мы не станем здесь останавливаться на доказательстве этого факта подробнее. Читатель, используя приведенное выше формулы, легко может проделать это самостоятельно.) Следовательно, как бы ни раздирали черную дыру приливные гравитационные силы, какйми бы другими способами мы на нее ни воздействовали, «разодрать» ее на части нельзя.

Мы увидим в дальнейшем, как уточняется закон неуменьшения площади горизонтов черных дыр, когда существенными становятся квантовые процессы.