Космические рубежи теории относительности
Шрифт:
РИС. 17.9. Маленькие чёрные дыры являются горячими. Чёрные дыры малой массы окружены тонким потенциальным барьером. Чем меньше масса, тем тоньше потенциальный барьер. Частицы и излучение могут проходить сквозь него благодаря туннельному эффекту, и поэтому температура маленьких чёрных дыр может быть достаточно велика.
Очень маленькие чёрные дыры должны обладать исключительно тонкими потенциальными барьерами, через которые сможет легко выходить в окружающую Вселенную и излучение, и частицы. Поэтому температура очень малых чёрных дыр должна быть поистине огромна. Чёрная дыра с массой 1 000 000 т испускает столько вещества и энергии, что её температура
РИС. 17.10. Температура чёрных дыр. Чем меньше масса чёрной дыры, тем выше её температура. Температура очень маленьких чёрных дыр может быть крайне высокой.
При испускании очень малой чёрной дырой вещества и излучения её масса должна уменьшаться. Если чёрная дыра испускает 1 кг вещества, её масса должна уменьшиться в точности на 1 кг. Этот простой факт влечёт за собой очень важные следствия. Испуская вещество и излучение, чёрная дыра теряет свою массу. При уменьшении массы чёрной дыры потенциальный барьер вокруг неё становится тоньше, её температура растет, и соответственно дыра начинает испускать всё больше частиц и энергии. И чем больше она излучает, тем меньше становится, а чем меньше становится, тем больше излучает. Таким образом чёрная дыра буквально съедает сама себя - она испаряется, причем процесс испарения самоускоряется по мере уменьшения массы дыры. Это ускорение настолько усиливается, что очень маленькие чёрные дыры в последние секунды своего существования просто взрываются. Полное количество энергии, выделяемое за последнюю секунду испарения чёрной дырой, эквивалентно взрыву водородной бомбы мощностью миллиард мегатонн!
Если нашей Вселенной уже 18 миллиардов лет и если первичные чёрные дыры образовались во время Большого Взрыва, то на сегодня все очень маленькие чёрные дыры уже давно испарились. Очень маленькие чёрные дыры должны быть такими горячими и испускать так много вещества, что им просто невозможно было бы просуществовать сколько-нибудь долгое время. Поэтому можно говорить о времени жизни чёрной дыры. Чёрная дыра, возникшая из 100 т вещества, должна быть настолько горячей, что смогла бы просуществовать всего 1/10000 с до того, как полностью испариться. Чёрной дыре с массой 1 миллион тонн для полного испарения требуется около 3 лет. Чёрная дыра с массой 1 миллиард тонн продержится около 3 миллиардов лет. На рис. 17.11 приведены времена жизни для чёрных дыр различных масс.
РИС. 17.11. Время жизни чёрных дыр. По мере того как чёрная дыра испускает частицы и излучение, её масса уменьшается. По мере уменьшения массы чёрная дыра испускает всё больше частиц и излучения, так как её температура растет. Этот самоускоряющийся процесс приводит к тому, что в конце концов все чёрные дыры испаряются. За последние несколько микросекунд такого испарения чёрная дыра выделяет количество энергии, эквивалентное взрыву миллиарда мегатонных водородных бомб! Так как возраст Вселенной составляет около 18 миллиардов лет, все чёрные дыры с массами менее нескольких миллиардов тонн должны к нашим дням уже испариться.
Так как время жизни первичной чёрной дыры определяется её начальной массой, ясно, что самые маленькие чёрные дыры, возникшие при большом взрыве, уже должны были испариться. До наших дней могли сохраниться лишь те из первичных чёрных дыр, массы которых превышали несколько миллиардов тонн (10 15 г). Значит, если учёным и удастся когда-нибудь обнаружить в космосе первичные чёрные дыры, то они будут не менее массивны, чем средний астероид, хотя, вероятно, их размеры не будут превышать размеров атома. Обнаружить эти весьма малые объекты было бы возможно по испускаемой ими огромной энергии, вероятно, в виде очень жестких гамма-лучей.
Проблема возможного обнаружения первичных чёрных дыр в космосе самым непосредственным образом связана с тем, сколько же таких
Если бы в нашей Солнечной системе или вблизи неё была обнаружена первичная чёрная дыра, отсюда следовали бы выводы большой важности. Я думаю, что сейчас мы располагаем уже техникой, позволяющей отправиться на ловлю такой чёрной дыры с тем, чтобы доставить её на Землю. Если поместить эту дыру на орбиту около Земли, то энергию, которую она испаряет, можно передавать на Землю пучком микроволн, получая таким образом огромное количество энергии без загрязнения среды. Это повлекло бы за собой большие экономические и социальные последствия. Мы не только перестали бы зависеть от ископаемых в виде горючего, но и термоядерное оружие оказалось бы бесполезной игрушкой, если бы на околоземной орбите оказалась чёрная дыра. Поэтому не исключено, что заумные математические расчёты горстки астрофизиков-теоретиков окажут серьёзное воздействие на весь ход истории человечества.
ПОСЛЕДНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, КАСАЮЩИЕСЯ ПЕРВИЧНЫХ ЧЁРНЫХ ДЫР
В конце 1976 г., когда рукопись этой книги отправлялась в типографию, были получены некоторые важные теоретические результаты, касающиеся возможности существования большого числа первичных чёрных дыр, разбросанных по всей Вселенной. Я рад, что мне удалось включить в книгу эти краткие замечания.
В начале 1970-х годов Стивен Хоукинг показал, что во время Большого Взрыва могло образоваться множество маленьких чёрных дыр. К середине 1970-х годов он заключил, что вследствие квантовомеханических эффектов эти первичные чёрные дыры должны испускать частицы и излучение. В результате такого процесса испускания вещества и энергии первичные чёрные дыры испаряются и взрываются. Во время взрыва первичной чёрной дыры вся её масса преобразуется в весьма краткую и мощную вспышку гамма-лучей очень высокой энергии. Как упоминалось в конце гл. 17, все первичные чёрные дыры малой массы теперь должны уже были испариться. Дожить до наших дней могли лишь первичные чёрные дыры умеренной массы, т.е. те из них, масса которых превышает несколько миллиардов тонн (5-1014 г).
В 1975 г. Джордж Ф. Чаплин заметил, что по наблюдаемому фону гамма-лучей можно оценить максимальное число первичных чёрных дыр, существующих сейчас во Вселенной. Если предположить, что всё наблюдаемое гамма-излучение космического фона вызывается испарением чёрных дыр, то, как показал Дон Н. Пейдж, внутри галактик не может быть более чем 300 миллионов первичных чёрных дыр на каждый кубический световой год, если считать, что все дыры находятся именно в галактиках. (Этот «верхний предел» снижается до значения 300 первичных чёрных дыр на кубический световой год, если дыры распределены во Вселенной равномерно.) Конечно, значительная часть фонового гамма-излучения может быть обусловлена иными эффектами, а не испарением первичных чёрных дыр, так что число этих чёрных дыр, существующих сегодня, должно быть намного меньше, чем приведенный выше верхний предел.
В октябре 1976 г. Д. Н. Ч. Лин, Б. Дж. Карр и С. М. Фолл, разрабатывавшие эту проблему, опубликовали результаты своих вычислений. Они показали, что наблюдаемое фоновое гамма-излучение не обязательно ограничивает верхний предел числа первичных чёрных дыр, которые могли бы существовать в наше время. Лин, Карр и Фолл доказали, что при некоторых обстоятельствах очень малые первичные чёрные дыры, образовавшиеся во время Большого Взрыва, могут так сильно вырасти, что превратятся в первичные чёрные дыры умеренной массы (т. е. в дыры, имеющие массу порядка миллиардов тонн) ещё до того, как пройдет 1/10000 с с момента рождения Вселенной. Если это действительно имело место, то в космосе могут быть рассеяны большие количества первичных чёрных дыр умеренной массы. Так как они ещё не испарились полностью и не взорвались, их присутствие остаётся незамеченным и они ещё не внесли своего вклада в фоновое гамма-излучение.