Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [100]

Рис. 6.20. Гравитационное линзирование. Слева: эйнштейновский крест – более тусклая галактика в центре создает четыре изображения яркого объекта, находящегося далеко за ней. Справа: эйнштейновское кольцо – искаженное изображение далекой галактики. (Близкой галактики-линзы не видно на этом изображении, полученном в субмилли-метровом диапазоне)

Рис. 6.21. Траектории света вблизи притягивающего центра. Лучи света испущены издалека справа с прицельными расстояниями (снизу вверх) 8 · 1/6 r_БУКО, 7 · 1/6 r_БУКО, 6,5 · 1/6 r_БУКО, 6 · 1/6 r_БУКО = r_БУКО, 5,5 · 1/6 r_БУКО, 5,4 · 1/6 r_БУКО, 5,3 · 1/6 r_БУКО и («завивающийся» луч) 5,2 · 1/6 r_БУКО. Начиная с прицельного расстояния 5,19615 · 1/6 r_БУКО лучи перестают возвращаться наружу, а точно с этого прицельного расстояния свет попадает на круговую орбиту радиуса 1/2 r_БУКО. Различные оттенки серого использованы для того, чтобы различать лучи

На рис. 6.21 лучи света направляются к центру с различными прицельными расстояниями и в зависимости от этого отклоняются сильнее или слабее. Там выбраны прицельные расстояния, измеряемые в «шестых долях от r_БУКО»: 8 · 1/6 r_БУКО, 7 · 1/6 r_БУКО и еще несколько. Про лучи, которые повернули на 180°, уже как-то неловко говорить «отклоняются»; выбрав определенное прицельное расстояние (около 0,892826 r_БУКО, что в «шестых долях», как на рисунке, составляет примерно 5,357 · 1/6 r_БУКО), можно увидеть вернувшийся свет нашего же лазера, причем без всяких зеркал – из пустоты. Эта необычная ситуация – если угодно, предельный случай гравитационного линзирования. Совсем небольшое дополнительное уменьшение прицельного расстояния заставит свет делать обороты вокруг центра – возможно, более одного раза (в этой области малые изменения в прицельном расстоянии приводят к сильно различающимся траекториям).

Притягивающий центр выглядит как черный диск

Падающий свет перестает выходить в какую бы то ни было сторону, если он отправляется к центру с прицельным расстоянием менее

Центр притяжения выглядит со стороны как черный диск, улавливающий свет. Куда свет девается? На расстоянии 1/2 r_БУКО от центра лежит (неустойчивая) круговая орбита света. Мы видели чуть выше, что никакие тела на эту круговую орбиту «не впихнуть» из-за запретительного роста энергии (да и количества вращения), но для света законы, как всегда, особые; как раз свету на этой орбите хорошо (впрочем, и здесь есть свои ограничения: она неустойчивая)[113]. Но чтобы издалека отправить свет на такую орбиту, надо выбрать прицельное расстояние точно равным

А весь свет, приходящий с меньшими прицельными расстояниями, не попадает даже на орбиту радиуса 1/2 r_БУКО и ни на какую другую орбиту, а просто падает на центр.

Свет может обращаться по круговой орбите

Способ исследовать происходящее подробнее – соединить гайки и фонарики, т. е. посмотреть, как распространяется свет, испущенный фонариками, которые приделаны к разбросанным повсюду гайкам. Впрочем, для распространения света не важно, свободно или не свободно падал его источник, поэтому вместо многих гаек с лампами можно отправить в полет один космический корабль с мощным двигателем, чтобы потом использовать оборудование повторно. На рис. 6.22 источник света находится относительно далеко от центра для самой правой диаграммы и тем ближе к центру, чем левее диаграмма. Диаграммы показывают, какая часть света, излученного во все стороны, пропадет в центре притяжения. Пока корабль или гайки с фонариками находятся далеко от центра (справа на рис. 6.22 – на расстоянии 15 r_БУКО от центра; ничего специального в числе 15 нет, оно фигурирует просто в качестве сравнительно большого), мы, по существу, повторяем опыт, проделанный с лучами света на рис. 6.21: лишь малая часть света, испущенного во все стороны, пропадает в центре: это узкий темный сектор на диаграмме. Но когда источник достигает БУКО, угол раствора «сектора пропавшего света» вырастает уже до 90°, а на знакомом нам расстоянии 2/3 r_БУКО (третья справа диаграмма на рис. 6.22) свет пропадает уже из сектора с углом раствора 133,4°. Свет, испущенный вдоль половины направлений, не выйдет наружу, когда космический корабль доберется (или гайка упадет) до половины радиуса БУКО (1/2 r_БУКО); именно здесь, конечно, космонавтов слепит свет от разных других источников, «подзадержавшийся» на круговых орбитах. В области ближе половины радиуса БУКО световые сигналы во внешний мир удастся послать, только если луч наведен в пределах все более узкого конуса, смотрящего прочь от притягивающего центра, – все более узкого по мере приближения к фатальному расстоянию 1/3 r_БУКО. Точно на этом расстоянии от центра посылать сигналы поздно: диаграмма, как на рис. 6.22, становится полностью черной. С этого расстояния наружу не ведут даже световые геодезические; геометрия пространства-времени такова, что их нет. Это положение дел часто выражают словами: «Гравитация настолько сильна, что ее не может преодолеть даже свет».

Рис. 6.22. В зависимости от расстояния до центра свет, испущенный вдоль некоторых направлений (показаны в виде черных секторов), падает на центр. Расстояния от источника света до центра (