Теория всего (Происхождение и судьба Вселенной)

Хокинг Стивен Уильям

Чёрная дыра с массой, в несколько раз превосходящей массу нашего Солнца, должна иметь температуру, равную всего лишь одной десятимиллионной доле градуса выше абсолютного нуля. Это намного меньше температуры заполняющего Вселенную фонового космического излучения (около 2,7 градуса выше абсолютного нуля), так что такие чёрные дыры должны излучать меньше энергии, чем они поглощают, хотя и это очень мало. Если Вселенная обречена на вечное расширение, то температура фонового излучения рано или поздно станет ниже температуры чёрной дыры. Тогда чёрная дыра начнёт поглощать меньше энергии, чем она излучает, и терять массу. Но её температура настолько низка, что даже в этом случае для полного испарения чёрной дыры понадобится около 10⁶⁶ лет. Это намного больше возраста

Вселенной, составляющего всего около 10¹⁰ лет.

С другой стороны, как вы узнали из предыдущей лекции, могут существовать первичные чёрные дыры очень малой массы, возникшие при коллапсе неоднородностей на самой ранней стадии формирования Вселенной. Такие дыры должны иметь гораздо более высокую температуру и значительно интенсивнее испускать излучение. Время жизни первичных чёрных дыр с начальной массой в миллиарды тонн должно равняться возрасту Вселенной. А те, чья начальная масса была меньше, по всей видимости, уже полностью испарились. Однако первичные чёрные дыры с чуть большей массой должны до сих пор испускать излучение в форме рентгеновских и гамма-лучей, которые сродни видимому свету, но имеют гораздо более короткие длины волн. Такие дыры вряд ли можно называть чёрными. Они нагреты до белого каления, а мощность их излучения около десяти тысяч мегаватт.

Одна такая чёрная дыра могла бы питать десять крупных электростанций, если бы мы научились использовать её энергию. Однако добиться этого довольно трудно. Чёрная дыра должна иметь массу земной горы, сжатую до размера атомного ядра. Попади она на поверхность Земли, не нашлось бы способа предотвратить её падение сквозь все геологические пласты к центру планеты. Она раз за разом пронизывала бы Землю, снуя вверх и вниз, пока не остановилась бы в центре. Поэтому, если мы когда-нибудь надумаем использовать энергию излучения чёрной дыры, единственным местом, куда её можно будет поместить, окажется орбита вокруг Земли. А единственным способом доставки чёрной дыры на такую орбиту пока представляется буксировка при помощи массивного объекта, расположенного перед чёрной дырой и притягивающего её, как морковка, подвешенная перед запряжённым в повозку осликом. Этот проект не похож на практическое предложение, по крайней мере для ближайшего будущего.

Поиски первичных чёрных дыр

Уж если мы пока не можем обуздать энергию первичных чёрных дыр, есть ли у нас шансы наблюдать их? Мы можем поискать гамма-лучи, испускаемые первичными чёрными дырами в течение почти всего времени их существования.

Хотя излучение большинства из них вследствие удалённости от нас очень слабо, суммарное излучение может быть зафиксировано. Мы и в самом деле регистрируем некоторое фоновое гамма-излучение. Но оно может быть вызвано процессами, не имеющими отношения к первичным чёрным дырам. Можно утверждать, что фоновое гамма-излучение не даёт нам никаких надёжных свидетельств существования таких дыр. Однако оно указывает, что в среднем в объёме пространства, равном одному кубическому световому году, не может содержаться более 300 небольших чёрных дыр. Эта предельная цифра означает, что первичные чёрные дыры могут составлять самое большее одну миллионную средней плотности массы во Вселенной.

Может показаться, что раз первичные чёрные дыры столь редки, вряд ли хоть одна отыщется достаточно близко к нам, чтобы мы могли её наблюдать. Но поскольку предполагается, что гравитация притягивает чёрные дыры к любой материи, они должны бы чаще встречаться в галактиках. Если бы, скажем, они попадались в миллион раз чаще, ближайшая чёрная дыра должна была бы, вероятно, лежать на расстоянии миллиарда километров от нас или примерно так же далеко, как Плутон, один из самых дальних объектов Солнечной системы. Но и на таком расстоянии было бы всё ещё очень трудно зарегистрировать устойчивое излучение чёрной дыры, даже если его мощность составляла бы десять тысяч мегаватт.

О наблюдениях первичной чёрной дыры можно говорить, если в течение достаточного промежутка времени, например недели, регистрируются несколько квантов гамма-излучения, приходящих из одного и того же направления.

В противном случае это может

быть лишь фоновое излучение. Однако планковский принцип квантования говорит нам, что каждый квант гамма-излучения обладает очень высокой энергией, поскольку гамма-лучи имеют очень высокую частоту. Поэтому для того, чтобы излучить даже десять тысяч мегаватт, не понадобится много квантов. А для регистрации этих немногих квантов, приходящих с расстояния, на котором расположен Плутон, потребуется более крупный детектор гамма-лучей, чем любой из ныне существующих. Более того, этот детектор должен размещаться в космосе, поскольку гамма-лучи не могут проникать через атмосферу. Разумеется, если чёрная дыра, располагающаяся на таком же расстоянии от нас, как и Плутон, завершит свой жизненный цикл и взорвётся, зафиксировать конечный всплеск излучения не составит труда. Однако если чёрная дыра испускала излучение на протяжении последних 10 или 20 млрд лет, вероятность того, что она закончит своё существование в ближайшие несколько лет, крайне незначительна. С тем же успехом от этого события нас может отделять несколько миллионов лет — в прошлом или в будущем. Если же вы надеетесь наблюдать взрыв до того, как истечёт срок выделенного вам исследовательского гранта, придётся разработать метод регистрации всех взрывов на расстоянии около одного светового года. Перед вами по-прежнему будет стоять проблема большого детектора гамма-излучения, способного регистрировать небольшое число квантов. Однако в этом случае не понадобится устанавливать, из одного ли направления пришли все кванты. Достаточно будет убедиться, что все они поступили в течение очень короткого интервала времени, чтобы быть уверенным, что все они порождены одним взрывом.

Детектором гамма-излучения, способным выявить первичные чёрные дыры, является атмосфера Земли в целом. (В любом случае, мы вряд ли способны соорудить более крупный детектор.) Когда обладающие высокой энергией кванты гамма-излучения сталкиваются с атомами земной атмосферы, образуются пары электрон-позитрон, которые при столкновении с другими атомами также, в свою очередь, вызывают образование новых электрон-позитронных пар. Начинается так называемый электронный ливень. В итоге возникает форма света, называемая черенковским излучением. Каждый из нас может наблюдать воздействие квантов гамма-излучения на атмосферу, когда видит вспышки света в ночном небе.

Разумеется, эти вспышки могут порождаться целым рядом других явлений, например молниями. Однако гамма-вспышки легко отличить от подобных эффектов, если вести наблюдения одновременно из двух или больше пунктов, достаточно далеко отстоящих друг от друга. Подобного рода исследования провели два учёных из Дублина, Нил Портер и Тревор Уикес, используя телескопы в Аризоне. Они зафиксировали ряд вспышек, но ни одну из них нельзя с уверенностью приписать всплеску гамма-излучения первичных чёрных дыр.

Даже если поиски первичных чёрных дыр окажутся бесплодными, что представляется вполне вероятным, они дадут нам важную информацию о самых ранних стадиях развития Вселенной. Если ранняя Вселенная была хаотичной или неоднородной, либо давление вещества/материи было низким, следует ожидать, что первичных чёрных дыр образовалось значительно больше того предельного значения, которое было установлено исходя из наших наблюдений фонового гамма-излучения. Объяснить отсутствие хоть какого-то количества обнаруживаемых наблюдениями первичных чёрных дыр можно только в том случае, если ранняя Вселенная была гладкой и однородной и в ней наблюдалось высокое давление.

Общая теория относительности и квантовая механика

Излучение чёрных дыр — первый пример предсказания, основанного на двух великих теориях прошлого века — общей теории относительности и квантовой механики. Поначалу оно возбудило множество возражений, потому что противоречило существующей точке зрения: как чёрные дыры могут что-то излучать? Когда я впервые огласил результаты моих расчётов на конференции в лаборатории им. Резерфорда (вблизи Оксфорда), они были встречены всеобщим недоверием. После моего выступления председатель семинара, Джон Дж. Тейлор из лондонского Кингз-Колледж, назвал всё изложенное ерундой. Он даже написал об этом статью.