Защо черните дупки се въртят с луда скорост и какво ги спира да не разкъсат самия космос

Запазването на ъгловия момент и звездният колапс

Когато гледаме на една черна дупка, класическата фундаментална физика ни казва, че тя може да бъде напълно описана от точно три измерими параметъра: нейната маса, нейния електрически заряд и нейния ъглов момент. В реалната астрофизична среда зарядът обикновено се приема за практически нищожен, тъй като плазмата и материята в космоса бързо неутрализират всеки натрупан потенциал. С това остават два основни фактора – колко материя е концентрирана в обекта и колко бързо се върти тя. За да разберем защо това въртене е толкова брутално и неизбежно, трябва да се върнем към газово-праховите облаци, от които първоначално са се формирали звездите-предшественици. Нито един космически облак не е напълно неподвижен; в него винаги съществуват малки разлики в плътността, флуктуации в движението и локални градиенти на скоростта. Когато гравитацията започне да свива този облак на площ от светлинни години, усредняването на импулсите на всички отделни частици произвежда един общ, макар и първоначално бавен, ротационен вектор.

С напредването на колапса се задейства фундаменталният закон за запазване на ъгловия момент – същият ефект, който всеки вижда, когато фигурист прибира ръцете си към тялото и внезапно ускорява своето въртене. Когато звезда с радиус от милиони километри изчерпи ядреното си гориво и колобира под собствената си маса, цялото това ротационно движение се свива в границите на обект с диаметър от едва няколко десетки километра или, в случай на свръхмасивните чудовища, в съответния радиус на Шварцшилд. Свиването на радиуса с много порядъци автоматично изтласква скоростта на въртене до крайности. Дори първоначалната звезда да се е въртяла бавно – например веднъж на месец – нейната компактна останка е принудена да прави стотици завъртания в секунда, просто защото кинетичната енергия и векторът на въртене няма къде да изчезнат.

В допълнение към вродения импулс от майчината звезда, всяка черна дупка продължава да се захранва през целия си съществуващ цикъл. Материята, която пада към нея от съседни звезди или от междузвездния газ, рядко пада по права линия към центъра. В повечето случаи тя оформя така наречения акреционен диск. В този диск материята спираловидно се приближава към хоризонта, ускорявайки се до релативистки скорости и предавайки своя собствен ъглов момент на черната дупка при преминаването на границата. Така въртенето не просто се запазва, а постоянно се дозахранва и поддържа от падащата маса.

Пространство-времето като вискозна течност и раждането на ергосферата

Според Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, масивните обекти не просто съществуват в някакво статично пространство, а огъват самата геометрия на това пространство. Когато такъв обект започне да се върти, той извършва нещо още по-радикално – завлича самата тъкан на пространство-времето със себе си. Този ефект, известен теоретично като ефект на Лензе-Тиринг или завличане на инерциалните системи, означава, че около въртящата се черна дупка самата координатна мрежа на Вселената се усуква по посока на нейното въртене. Това не е просто гравитационно привличане, а физическо увличане на всичко, което се намира в съответния регион.

Това увличане създава специфична геометрична зона около хоризонта на събитията, наречена ергосфера. Ергосферата се простира извън сферичния хоризонт на събитията и има формата на сплеснат сфероид, който се докосва до хоризонта само при полюсите на въртене и се разширява максимално около екватора. В рамките на тази област увличането на пространството е толкова силно, че за нито един обект – независимо от неговия двигател, маса или налична енергия – е абсолютно невъзможно да остане неподвижен спрямо отдалечен наблюдател. Самата координатна система се движи по-бързо от светлината спрямо външния свят, занулявайки всяка възможност за статично състояние. За да остане неподвижен в ергосферата, даден обект би трябвало да се движи срещу посоката на въртене със скорост, превишаваща тази на светлината, което е физически забранено.

За разлика от вътрешността на хоризонта на събитията обаче, ергосферата не е билет в една посока. Тъй като се намира извън границата, от която светлината не може да избяга, материята или лъчението, навлизащи в ергосферата, все още могат да се измъкнат обратно в открития космос. Нещо повече, теоретично е възможно оттам да се извлича ротационна енергия – процес, описан за първи път от физика Роджър Пенроуз. При този сценарий физическо тяло, навлизащо в ергосферата, може да се разпадне на две части, като едната част падне под хоризонта на събитията с отрицателна енергия спрямо външния наблюдател, а другата бъде изхвърлена навън с кинетична енергия, по-голяма от първоначалната енергия на цялата система. Всичко това се случва за сметка на лекото забавяне на въртенето на самата черна дупка. Важно е да се отбележи, че макар този ефект да е най-драматичен при черните дупки, ефектът на Лензе-Тиринг съществува около абсолютно всеки въртящ се масивен обект, включително около Земята и Слънцето, макар там стойностите да са толкова незначителни, че изискват изключително чувствителни спътникови жироскопи за отчитане.