Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Потупа Александр

Если же говорить о надеждах, то черные дыры представляются чем-то очень широко распространенным во Вселенной. По идее, они должны встречаться часто и на весьма различных уровнях. В этом плане особо подозрительны ядра галактик и центры шаровых скоплений — места, где в условиях высокой концентрации вещества «сам Бог велел» создаваться сильным гравитационным полям и суперзвездам грандиозного масштаба.

В связи с этим обратим внимание вот на какие обстоятельства. Почему Лапласу пришлось изобретать монстр в 60 миллионов солнечных масс? Ответ прост. В его время представления о структуре вещества были развиты слабо, и он вряд ли мог представить себе космические объекты с плотностью атомного ядра — то, чем свободно оперировали теоретики 30-х годов 20 века, современники становления ядерной физики. Тем не менее, вплоть до открытия белых карликов и пульсаров в реальное существование сверхплотных звезд верили не слишком охотно.

Что же касается черных дыр — сейчас

их высокой плотностью трудно кого-нибудь удивить. Само образование черных дыр с массой порядка 10 М_€ как возможной конечной стадии звездной эволюции теперь тоже не представляется чем-то из ряда вон выходящим.

Весьма вероятно, что ближайшие годы принесут окончательное открытие сверхмассивных дыр с относительно небольшой плотностью и массами от нескольких сот до миллиардов М_€, и лапласовские монстры станут чем-то привычным. Это откроет путь к решению проблемы коллективной эволюции звездных скоплений самого разного масштаба. Действительно, трудно поверить, что в плотных шаровых скоплениях и тем более в галактических ядрах каждая звезда могла бы рождаться и умирать совершенно индивидуально, никак не связываясь с судьбой ассоциации. Именно эта связь и должна во многих случаях приводить к появлению разномасштабных черных дыр с огромными массами. Один из важных гипотетических вариантов такого рода — присутствие гигантских черных дыр в ядрах квазаров, что пока дает едва ли не единственный путь к объяснению их фантастической светимости.

Казалось бы, все в порядке, остается только активно вести расширение круга наблюдений по более или менее ясной схеме.

Но тут-то как раз произошло интереснейшее уточнение самой схемы, если можно так выразиться, состоялось третье теоретическое рождение черных дыр.

В 1974 году английский теоретик С. Хокинг опубликовал в журнале «Nature» («Природа») небольшую заметку с интригующим вопросом в заголовке «Взрывы черных дыр?». Это положило начало, пожалуй, самому впечатляющему астрофизическому буму 70-х годов.

Идея Хокинга была довольно проста. Как бы ни самоизолировалась черная дыра, она всегда связана с вакуумом элементарных частиц. Процессы вблизи ее поверхности идут с характерным временем t_g ~ R_g/c = 2GM/c³, и они вызывают рождение частиц с энергией E ~ ћ_g ~ ћ/ t_g — характерная собственная частота черной дыры как бы резонирует с частотами вакуума, вышибая из него реальные частицы. Более наглядно можно пояснить ситуацию так: черная дыра способна удержать объекты с размером l «R_g, но не излучение с длинами волн r R_g, которое как бы выдавливается из черной дыры в силу соотношения неопределенностей [121] ».

121

Соотношение неопределенностей р.x 'A ћ показывает, что объект с импульсом р = ћ/c нельзя локализовать в области с размером меньшим ћ/р ~ c/~ . Излучение с длиной волны не локализуется в области с размером меньше .

Отсюда следовало, что черная дыра вовсе не мертва. С точки зрения квантовой теории, она должна излучать во внешнее пространство радиоволны, свет и даже тяжелые элементарные частицы — все, что допустимо ее размерами и энергетическими возможностями. Излучая, черная дыра разогревается, теряет массу, и конечная стадия ее испарения должна выглядеть как взрыв. Законы эволюции черной дыры, следующие из хокинговской модели, очень наглядно записываются с использованием планковских масштабов (М — масса черной дыры):

Светимость: L ~ L_P (m_Р/M)²

Температура: Т ~ T_P (m_Р/M)

Плотность: 1/2 ~ 1/2 _P (m_Р/M)²

Время жизни: ~ M/L ~ t_P (m_Р/M)³ » 3.1017 (M (г)/10¹⁵)³ с

Отсюда хорошо видно, что эффект хокинговского излучения несущественен для обычных черных дыр типа Лебедя X–I, чья температура порядка 10⁸ К, а время испарения сильно превышает возраст Вселенной ( ~ 10⁷⁴ с!). Тем более, практически незаметна квантовая эволюция гипотетических дыр-гигантов.

Забавные дырочки размером около 1 миллиметра, но с довольно солидной массой (М ~ 10²⁷ г) и колоссальной плотностью ( 1/2 ~ 2,5.10³⁰ г/см³) могли бы имитировать наблюдаемый фон теплового излучения с температурой в несколько градусов Кельвина. Однако чтобы вытеснить модель космологического реликтового излучения, следовало бы предположить, что малютки существуют в изобилии и распределены в пространстве крайне равномерно по всем направлениям. Неясно также их происхождение.

Наибольший интерес с самого начала вызвали, конечно, черные дыры с массами М~10¹⁵ г. Ведь они способны полностью испариться за известный космологический период, и в современную эпоху какая-то их часть должна взрываться, выбрасывая чрезвычайно жесткое излучение.

В связи с такими мини-дырами возродился интерес к идее советских астрофизиков Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, которые еще в 1967 году предсказывали, что наряду с черными дырами, возникающими космогоническим путем, то есть за счет эволюции звезд, могут существовать и так называемые первичные дыры, образующиеся на ранних стадиях космологической эволюции.

Дело в том, что вещество распределено равномерно лишь в среднем, в некоторых же областях пространства оно могло концентрироваться, а часть этих концентраций — коллапсировать до состояния черных дыр, даже в очень горячей обстановке самых ранних мгновений. Поэтому не исключено, что образование каких-то астрофизических структур — разумеется, совсем необычного типа — началось задолго до появления галактик и звезд первого поколения.

Представления такого рода способны оказать серьезнейшее влияние на астрофизические и космологические концепции. Во-первых, на повестку дня ставится задача о космических объектах исключительно малых размеров и высоких плотностей. Вообще возникает любопытный вопрос: чем ограничена снизу масса звездоподобных объектов, если процесс их образования отодвигается ко все более ранним моментам? Не играет ли роль такого ограничителя, скажем, планковская масса? С другой стороны, первичные мини-объекты могли бы дать полезнейшую информацию о структуре очень ранней Вселенной — был ли это лишь сугубо однородный кипящий бульон из элементарных частиц, или на фоне в среднем равномерного распределения возникали и гибли весьма нетривиальные миры, интересные ничуть не менее ныне наблюдаемых звезд и галактик [122] . И еще один важный вопрос: каково влияние реликтовых неоднородностей на формирование более крупных космических структур?

122

Пусть в космологическую эпоху t при плотности 1/2 ~ 1/2 P (tР/t)² образуется черная дыра. Она должна собрать всю массу в области с размером R `A ct, и тогда М_рд ~ 1/2 (ct)³ ~ (c³/G).t ~ m_Р(t/t_Р) Таким образом, первичные черные дыры с М r М€ могут образовываться не ранее эры адронного синтеза (t ~ 10^{– 5}с), с М ~ 10¹⁵ г — при t ~ 10^{– 23}с, когда 1/2 ~ 10⁵² г/см³, а первичные дыры лапласовского типа при t ~ 10³с — в эпоху синтеза гелия. Интересно, что в таком подходе для образования черной дыры с массой Вселенной нужно как раз космологическое время t ~ 10¹⁷ с.

Более детальный анализ модели испарения и наблюдаемых данных пока не привел к обнаружению черных мини-дыр с массами от 10⁹ до 10¹⁵ г. Это указывает на довольно малую их концентрацию (видимо, не более 10⁴ мини-дыр в одном кубическом парсеке). Не исключено также, что мы не слишком ясно представляем себе завершающую стадию их испарения [123] .

Идеи квантовой эволюции черных дыр хорошо подчеркнули неизбежность изменения теории гравитации в планковской области. Из условия, что светимость объекта не может превысить LP, автоматически следует, что его масса не может стать меньше m_P, а плотность — больше 1/2 _P

123

Между тем, по поводу необнаруженных мини-дыр уже появились интересные прикладные намерения. Скажем, отражатель, находящийся на определенном расстоянии от минидыры с М ~ 10¹⁵ г, может быть подобран так, чтобы сила его притяжения дырой уравновешивалась силой давления излучения на зеркальную поверхность (проект С. Блинникова). Очень любопытный вариант ракетного двигателя и в то же время способ транспортировки мини-дыр как «дармовых светильников» в нужные точки пространства. Вообще приятно помечтать о тех временах, когда земная цивилизация смогла бы широко использовать фантастически мощную чернодырную энергетику.