Реликтовые черные дыры
Источник
можно представить себе некую планету с РЧД внутри, действующим как
самодостаточный источник тепла. Такая планета может вовсе не нуждаться в
близкой звезде для поддержания жизни на ее поверхности, причем градиент
температур между теплой планетой и космическим холодом будет снабжать
эту жизнь энергией практически вечно - источник энергии никогда не
иссякнет и не может исчезнуть.
Сегодня черными дырами уже никого не удивишь. Они уверенно заняли свое место не только в фантастических фильмах, но и в солидных научных журналах. Космический телескоп Hubble демонстрирует на своих снимках признаки присутствия этих «невидимок» в далеких галактиках, в многочисленные наблюдения на крупнейших наземных обсерваториях показывают, как целый рой звезд движется по коротким эллиптическим орбитам вокруг некого весьма компактного, но при этом чрезвычайно массивного объекта в центре Млечного Пути. Даже школьник, зная закон всемирного тяготения, может рассчитать, что масса этого невидимого объекта в несколько миллионов раз превышает массу Солнца…
Однако интрига не исчезла. На горизонте появились новые «монстры» - темная материя и темная энергия. Вначале их предсказали теоретически, как еще в 30-е годы предсказали черные дыры. Потом доказали, что монстры существуют, и в 2011 г. двум астрономам за доказательство этого даже вручили Нобелевскую премию. Однако ситуация от этого яснее не стала… А на втором плане, «за кулисами», продолжают скрываться другие загадки, которые принято связывать с реликтами - отголосками древнейших эпох, остатками таинственных образований, возникших в первые мгновения после рождения Вселенной.
Удивительные следствия теории
Как заметил писатель-фантаст Артур Кларк, любая достаточно развитая технология для непосвященного неотличима от магии. Теоретически медитации космологов, занимающихся вопросами происхождения Вселенной, хоть и не связаны напрямую с повседневной практикой, как нельзя лучше подтверждают слова писателя.
Стивен Хокинг из Кембриджского университета в 1971 г. высказал предположение, что в центрах звезд, подобно нашему Солнцу, могли накапливаться сформировавшееся в ранней Вселенной сверхплотные гравитационные связанные объекты - гипотетические образования, напоминающие по строению черные дыры предельных масс, которые получили название реликтовых черных дыр (РЧД).
Хокинг не стал развивать свою идею, но другие кембриджские космологи продолжили работу в этом направлении. Их расчеты показали, что РЧД образовались во время т.н. «радиационной эры», когда возраст Вселенной не превышал 10(-4) секунды, а ее плотность превосходила плотность атомных ядер. Группа советских ученых (Яков Зельдович, Игорь Новиков) выдвинула предположение, что РЧД могли возникнуть на ранней стадии эволюции Вселенной вблизи космологической сингулярности - собственно, «точки» Большого Взрыва - из флуктуаций метрики. Однако вопрос о массах этих образований оставался открытым вплоть до наших дней.
Знаменитое открытие Хокингом процесса испарения черных дыр ограничило их массу «снизу» на уровне примерно 10(12) кг (миллиард тонн). Столько весит куб океанской воды со стороной около одного километра. Однако если сжать его до размера ЧД, то он окажется не крупнее электрона (10(-13) см). Можно показать, что черные дыры с массой менее 10(12) кг не могут существовать из-за процесса квантового испарения. Приблизившись к этому роковому пределу, они взрываются. При этом выделяется энергия, излучаемая Солнцем в течение примерно шести минут. Основная часть этой энергии выделится в виде гамма-квантов с энергией в несколько десятков миллионов электрон-вольт.
Рождение и гибель реликтовых черных дыр - интриги, рожденные на кончике пера. Эти события никто и никогда не наблюдал, однако их можно рассчитать и описать с поразительной точностью. Российские космологи Максим Хлопов, Сергей Рубин, А. С. Сахаров в 2001 г. предложили принципиально новый сценарий формирования первичных структур в горячей Вселенной, описывающий, в частности, возможную картину возникновения РЧД. Их модель предсказывает фазовые переходы в период инфляции - грандиозного расширения пространства во время Большого Взрыва. При этом образовались особые топологические структуры - так называемые доменные стенки (domain walls). В физике домен - макроскопическая область, наблюдаемая в ферромагнитных кристаллах и некоторых других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком. Области, разделяющие отдельные домены, называются доменным стенками. С физической точки зрения такие структуры рассматривают как дефекты, нарушения в регулярном строении кристалла.
В космологии, по мере того, как мы движемся вперед по времени от момента Большого Взрыва, Вселенная становилась все менее горячей и менее плотной, пока в ней не начали происходить фазовые переходы, изменяющие ее форму и свойства.
Фазовые переходы мы наблюдаем в повседневной жизни. Например, водяной пар, содержащийся в атмосфере, при падении температуры превращается в воду, а затем и в лед. Мы прекрасно видим, что формы и свойства воды в разных фазовых состояниях существенно различаются. Нечто подобное имело место и в молодой Вселенной, когда она расширялась и охлаждалась. Только фазовые переходы происходили не в водяном паре, а непосредственно в ее материальном субстрате.
Подобны переходы обычно сопровождаются образованием новых структур. В космологическом контексте процесс их формирования известен как механизм Киббла.
Любые взаимодействия во Вселенной могут распространяться только со скоростью света с. В силу причинно-следственных связей это означает, что в момент времени t области Вселенной, отделенные на расстояние d = c * t, не могли ничего «знать» друг о друге. При фазовых переходах различные области Вселенной стремились достичь состояния с минимальной энергией. Однако таких состояний может быть несколько, и разные домены могли, в конце концов, приобрести различные значения минимумов энергии из возможного «набора». Domain wall - граница доменов, разделяющая регионы двух возможных минимумов потенциальной энергии. Примечательно, что доменные стенки сами обладают энергией, более того - они могут оказаться неустойчивыми и начнут распадаться. Их распад (коллапс) приводит к образованию скоплений реликтовых черных дыр. Как показывают численные расчеты, условия существования доменных стенок выполняются для доменов с массами, превышающими 10(12) кг. Максимум распределения масс РЧД приходиться на 10(22) кг, что примерно в 600 раз меньше массы Земли, а их возможные значения простираются вплоть до 10(32) кг (около сотни солнечных масс). Общая масса РЧД в теории Хлопова-Рубина-Сахарова составила приблизительно 1% от барионной массы Вселенной. Это означает, что первичных черных дыр может быть в миллион раз больше, чем звезд и планет!
Следует отметить, что размер реликтовых черных дыр чрезвычайно мал. Теория относительности связывает размер R и массу М черной дыры формулой R=2G*M/c(2), где G - гравитационная постоянная, а с - скорость света. РЧД с критической массой М = 10(12) кг имеет размер 1,5 * 10(-15) м, что вдвоем меньше классического радиуса электрона, т. е. такая черная дыра сравнима по размеру с элементарной частицей. Стоит напомнить, что она весит при этом около миллиарда тонн. А РЧД с массой 10(22) кг имеет размер всего лишь 15 микрометров.
Итак, теоретические разработки космологов подвигают нас к мысли о том, что заметная доля материальной части Вселенной может состоять из микроскопически малых по размеру черных дыр реликтового происхождения, образовавшихся в первые моменты существования нашего мира. Но эти догадки вызывают следующие вопросы: где находятся эти «реликтовые творения»? Как они могут заявить о своем существовании? Что нас может ожидать при встрече с ними?
Эволюция реликтовых черных дыр
С некоторыми оговорками можно утверждать, что РЧД, как и атомы, практически вечны. Правда, в некоторых случаях атом, взаимодействуя с другими частицами, может трансформироваться, разделиться на составные части, исчезнуть как структурная единица. Черная дыра может исчезнуть только в одном случаи - если она приблизится к роковому пределу массы 10(12) кг. При этом она взорвется в процессе квантового испарения. Черные дыры с большими массами неуничтожимы.
Стивен Хокинг открыл процесс «испарения» черных дыр - точнее, доказал, что они обладают хоть и ничтожно малой, но все же ненулевой температурой, и в соответствии с законами термодинамики должны излучать как абсолютное черное тело. Излучение уносит энергию, а следовательно, и массу ЧД, и если не происходит обратных процессов («пополнения» массы), то через неисчислимое множество лет она приблизится к пределу 10(12) кг и взорвется. В реальности - по крайней мере, в нашу эпоху -этого не происходит, т. к. окружающее ЧД пространство представляет собой не абсолютную пустоту, и она «набирает» из него столько вещества, что с избытком компенсирует все потери.
Однако процесс квантового испарения требует детального рассмотрения. Очевидно, что когда черная дыра сравнима по размеру с элементарной частицей (в нашем случае - с электроном), классические подходы становятся бессмысленными. Дело в том, что в физике господствует корпускулярно-волновой дуализм. Это значит, что каждый объект должен одновременно рассматриваться как частица, так и как волна. В нашем случае он утверждает, что свойства РЧД с массой 10(12) кг полностью определяются волновыми процессами, т. е. такая черная дыра является уже не классическим, а квантовым объектом, ее строение и эволюция полностью обусловлены законами квантовой механики.
Квантовые ЧД - слишком сложная задача для рассмотрения в данной статье. Чтобы кратко описать более простой случай, когда квантовые эффекты начинают играть заметную, но не определяющую роль в строении черной дыры, вспомним сначала, за счет каких процессов происходит ее «испарение».
В представлении физиков вакуум - не абсолютная пустота, а место, где постоянно рождаются и исчезают виртуальные пары «частица-античастица» разнообразных видом. Эти пары в результате квантовых флуктуаций спонтанно появляются на некоторое время, а затем снова сливаются. Если же в пространстве создать достаточно сильное электрическое или магнитное поле, то появившиеся частицы, имеющие противоположный заряд, уже не смогут «воссоединиться» и начинают удаляться друг от друга, двигаясь в различных направлениях. Внешне это будет выглядеть как рождение материи «из ничего». На самом же деле пары частиц порождает энергия поля, то есть закон сохранения при этом не нарушается.
Вблизи ЧД таким «разделителем» является мощное гравитационное поле. Оно поляризует вакуум. В результате виртуальные пары частиц уже не могут слиться обратно - гравитация разделит их. Одна из частиц упадет на черную дыру, другая сможет ее покинуть. Возникает постоянный поток равных частиц и античастиц, уходящих в окружающее пространство. Из взаимная аннигиляция порождает излучение. ЧД с массой 10(12) кг излучает гамма-кванты с энергией 50 МэВ.
Чем меньше размер черной дыры - тем сильнее поляризация вакуума, тем интенсивнее процесс испарения, тем выше температура излучения. У ЧД с массой 10(12) кг эта температура достигает 100 млрд. кельвинов, мощность составляет около 300 МВт. В финале раньше или позже все закончится «квантовым взрывом».
Для физиков стало сюрпризом, что субъектам квантовой теории поля оказались не только элементарные частицы и вакуум, но и реликтовы черные дыры с массой в миллиарды тонн. Наше воображение не способно понять, как совместить чудовищную массу с размером электрона, температурой в миллиарды градусов и мощностью в сотни мегаватт. Но поскольку ни один закон природы в данном случае не нарушен, с выводами теории следует согласиться и признать их реальность. Утешением может послужить афоризм Козьмы Пруткова: «Глядя на мир, нельзя не удивляться».
Долгая жизнь
Космологи Джейкоб Бекенстейн и Деннис Шама в 70-е годы показали, что если поместить черную дыру в термостат, т.е. в материальную среду, она будет работать как тепловая машина с коэффициентом полезного действия 0,59. В отличие от твердого тела, ЧД испытывает крайне малое сопротивление при движении сквозь материю. Она проходит через любое вещество - будь то планета или звезда - свободно, как сквозь вакуум. Таким образом черную дыру практически невозможно остановить. Впрочем, слегка замедлить ее движение способно вещество нейтронных звезд, имеющее плотность атомных ядер.
Как уже было сказано, «голая» черная дыра околокритической массы излучает мощность около 300МВт. Если поместить такой объект в материальную среду, она начнет аккумулировать из нее вещество. Этот процесс в астрономии называется аккрецией. Светимость ЧД сразу возрастет более чем в 10 тыс. разз (примерно до 5 тераватт) - каждую секунду будет излучать энергию, эквивалентную выделяемой при взрыве тысячи тонн тротила. Аккреция является саморегулируемым процессом. В зависимости от своей скорости вращения черная дыра аккумулирует от 6 до 42% падающего вещества, остальное «перерабатывается» в основном в мощное гамма-излучение. Давление этого излучения на падающее вещество препятствует катастрофическому процессу наращивания массы. В 1962 году английский астрофизик Артур Эддингтон вычислил критический предел совместимости небесного тела, регулируемый давлением излучения - т.н. «предел Эддингтона». Формулы, выведенные этим ученым, позволяют вычислить светимость ЧД при аккреции вещества. Поразительно, но процесс «утяжеления» одиночной дыры за счет этого процесса оказывается чрезвычайно медленным: в условиях термостата она увеличивает свою массу вдвое примерно за один миллиард лет.
Конечно же, на современном этапе эволюции Вселенной концентрация РЧД в пространстве исключительно низка, однако полностью исключить вероятность столкновения одной из них с нашей планетой невозможно. Интересно, что последствия такого столкновения не будут такими уж фатальными. Относительная скорость движения черной дыры должна быть не менее второй космической (11,2 км/с), а на самом деле окажется еще в несколько раз больше. Она промелькнет перед взором наблюдателя за считанные секунды в виде огненного шара диаметром порядка полукилометра, беспрепятственно войдет в Землю, пронзит ее насквозь, выйдет с противоположной стороны и удалится в космос. На каждом метре траектории ее движения выделится энергия, эквивалентная энергии взрыва 25 кг тринитротолуола (а на протяжении километра - примерно равная мощности ядерной бомбы, сброшенной на Хиросиму). Пострадают люди, животные и строения, находящиеся в нескольких сотнях метров от «точки входа» и «точки выхода»… но это, согласитесь, еще далеко не конец света.
Существует определенная вероятность того, что реликтовые черные дыры «прячутся» в недрах звезд или планетоподобных тел. Как они могли там оказаться? Например в результате захвата в процессе формирования звезды или планеты из межзвездного газово-пылевого облака. Это может быть верным в отношении нашего Солнца, так и, вероятно, Юпитера с Сатурном. Наличие даже очень маломассивного релятивистского «гравитационного реактора» неизбежно приведет к существенным изменениям в сценарии эволюции небесного тела.
Если масса реликтовой черной дыры окажется более 10(-5) массы Солнца, основной вклад в светимость звезды будет вносить не термоядерная реакция превращения водорода в гелий, а «гравитационный реактор». В этом случае светимость будет эволюционировать в направлении предела Эддингтона, что должно привести, в конце концов, к значительному расширению звезды и потере глобальной устойчивости.
Важный намек на возможное «инфицирование» планет реликтовыми черными дырами можно найти в Солнечной системе. Известно, что Юпитер и Сатурн излучают больше энергии, чем получают от Солнца. Избыточный тепловой поток в масштабе 200% составляет соответственно 4.8 * 10(11) и 8.6 * 10(10) МВт. Измерения теплового потока от других планет показывают избыток на уровне нескольких процентов.
Для объяснения избыточного энергопроизводства Юпитера и Сатурна достаточно предположить, что массы реликтивных черных дыр, захваченных ими 4 * 10(16) и 7 * 10(15) кг соответственно. Эти микроскопические объекты по размеру сравнимы с атомом водорода (10(-10)м). Можно предположить, что в недрах этих планет свободно вращаются не единичные черные дыры, а целый «чернодырный рой»…
А можно даже представить себе некую планету с релятивистским гравитационным реактором в виде РЧД внутри, действующим как самодостаточный источник тепла. Такая планета может вовсе не нуждаться в близкой звезде для поддержания жизни на ее поверхности, причем градиент температур между теплой планетой и космическим холодом будет снабжать эту жизнь энергией практически вечно - источник энергии никогда не иссякнет и не может исчезнуть. Следующим этапом размышлений на эту тему просто обязана стать фантазия о развитой цивилизации, умеющей находить подобны объекты или даже создавать их искусственно, чтобы потом использовать в качестве «межзвездных кораблей» и одновременно - вечного пристанища Галактического Разума. Но такие предположения уже выходят слишком далеко за рамки современной науки… хотя, снова-таки, не противоречат никаким ее проявлениям.
можно представить себе некую планету с РЧД внутри, действующим как
самодостаточный источник тепла. Такая планета может вовсе не нуждаться в
близкой звезде для поддержания жизни на ее поверхности, причем градиент
температур между теплой планетой и космическим холодом будет снабжать
эту жизнь энергией практически вечно - источник энергии никогда не
иссякнет и не может исчезнуть.
Сегодня черными дырами уже никого не удивишь. Они уверенно заняли свое место не только в фантастических фильмах, но и в солидных научных журналах. Космический телескоп Hubble демонстрирует на своих снимках признаки присутствия этих «невидимок» в далеких галактиках, в многочисленные наблюдения на крупнейших наземных обсерваториях показывают, как целый рой звезд движется по коротким эллиптическим орбитам вокруг некого весьма компактного, но при этом чрезвычайно массивного объекта в центре Млечного Пути. Даже школьник, зная закон всемирного тяготения, может рассчитать, что масса этого невидимого объекта в несколько миллионов раз превышает массу Солнца…
Однако интрига не исчезла. На горизонте появились новые «монстры» - темная материя и темная энергия. Вначале их предсказали теоретически, как еще в 30-е годы предсказали черные дыры. Потом доказали, что монстры существуют, и в 2011 г. двум астрономам за доказательство этого даже вручили Нобелевскую премию. Однако ситуация от этого яснее не стала… А на втором плане, «за кулисами», продолжают скрываться другие загадки, которые принято связывать с реликтами - отголосками древнейших эпох, остатками таинственных образований, возникших в первые мгновения после рождения Вселенной.
Удивительные следствия теории
Как заметил писатель-фантаст Артур Кларк, любая достаточно развитая технология для непосвященного неотличима от магии. Теоретически медитации космологов, занимающихся вопросами происхождения Вселенной, хоть и не связаны напрямую с повседневной практикой, как нельзя лучше подтверждают слова писателя.
Стивен Хокинг из Кембриджского университета в 1971 г. высказал предположение, что в центрах звезд, подобно нашему Солнцу, могли накапливаться сформировавшееся в ранней Вселенной сверхплотные гравитационные связанные объекты - гипотетические образования, напоминающие по строению черные дыры предельных масс, которые получили название реликтовых черных дыр (РЧД).
Хокинг не стал развивать свою идею, но другие кембриджские космологи продолжили работу в этом направлении. Их расчеты показали, что РЧД образовались во время т.н. «радиационной эры», когда возраст Вселенной не превышал 10(-4) секунды, а ее плотность превосходила плотность атомных ядер. Группа советских ученых (Яков Зельдович, Игорь Новиков) выдвинула предположение, что РЧД могли возникнуть на ранней стадии эволюции Вселенной вблизи космологической сингулярности - собственно, «точки» Большого Взрыва - из флуктуаций метрики. Однако вопрос о массах этих образований оставался открытым вплоть до наших дней.
Знаменитое открытие Хокингом процесса испарения черных дыр ограничило их массу «снизу» на уровне примерно 10(12) кг (миллиард тонн). Столько весит куб океанской воды со стороной около одного километра. Однако если сжать его до размера ЧД, то он окажется не крупнее электрона (10(-13) см). Можно показать, что черные дыры с массой менее 10(12) кг не могут существовать из-за процесса квантового испарения. Приблизившись к этому роковому пределу, они взрываются. При этом выделяется энергия, излучаемая Солнцем в течение примерно шести минут. Основная часть этой энергии выделится в виде гамма-квантов с энергией в несколько десятков миллионов электрон-вольт.
Рождение и гибель реликтовых черных дыр - интриги, рожденные на кончике пера. Эти события никто и никогда не наблюдал, однако их можно рассчитать и описать с поразительной точностью. Российские космологи Максим Хлопов, Сергей Рубин, А. С. Сахаров в 2001 г. предложили принципиально новый сценарий формирования первичных структур в горячей Вселенной, описывающий, в частности, возможную картину возникновения РЧД. Их модель предсказывает фазовые переходы в период инфляции - грандиозного расширения пространства во время Большого Взрыва. При этом образовались особые топологические структуры - так называемые доменные стенки (domain walls). В физике домен - макроскопическая область, наблюдаемая в ферромагнитных кристаллах и некоторых других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком. Области, разделяющие отдельные домены, называются доменным стенками. С физической точки зрения такие структуры рассматривают как дефекты, нарушения в регулярном строении кристалла.
В космологии, по мере того, как мы движемся вперед по времени от момента Большого Взрыва, Вселенная становилась все менее горячей и менее плотной, пока в ней не начали происходить фазовые переходы, изменяющие ее форму и свойства.
Фазовые переходы мы наблюдаем в повседневной жизни. Например, водяной пар, содержащийся в атмосфере, при падении температуры превращается в воду, а затем и в лед. Мы прекрасно видим, что формы и свойства воды в разных фазовых состояниях существенно различаются. Нечто подобное имело место и в молодой Вселенной, когда она расширялась и охлаждалась. Только фазовые переходы происходили не в водяном паре, а непосредственно в ее материальном субстрате.
Подобны переходы обычно сопровождаются образованием новых структур. В космологическом контексте процесс их формирования известен как механизм Киббла.
Любые взаимодействия во Вселенной могут распространяться только со скоростью света с. В силу причинно-следственных связей это означает, что в момент времени t области Вселенной, отделенные на расстояние d = c * t, не могли ничего «знать» друг о друге. При фазовых переходах различные области Вселенной стремились достичь состояния с минимальной энергией. Однако таких состояний может быть несколько, и разные домены могли, в конце концов, приобрести различные значения минимумов энергии из возможного «набора». Domain wall - граница доменов, разделяющая регионы двух возможных минимумов потенциальной энергии. Примечательно, что доменные стенки сами обладают энергией, более того - они могут оказаться неустойчивыми и начнут распадаться. Их распад (коллапс) приводит к образованию скоплений реликтовых черных дыр. Как показывают численные расчеты, условия существования доменных стенок выполняются для доменов с массами, превышающими 10(12) кг. Максимум распределения масс РЧД приходиться на 10(22) кг, что примерно в 600 раз меньше массы Земли, а их возможные значения простираются вплоть до 10(32) кг (около сотни солнечных масс). Общая масса РЧД в теории Хлопова-Рубина-Сахарова составила приблизительно 1% от барионной массы Вселенной. Это означает, что первичных черных дыр может быть в миллион раз больше, чем звезд и планет!
Следует отметить, что размер реликтовых черных дыр чрезвычайно мал. Теория относительности связывает размер R и массу М черной дыры формулой R=2G*M/c(2), где G - гравитационная постоянная, а с - скорость света. РЧД с критической массой М = 10(12) кг имеет размер 1,5 * 10(-15) м, что вдвоем меньше классического радиуса электрона, т. е. такая черная дыра сравнима по размеру с элементарной частицей. Стоит напомнить, что она весит при этом около миллиарда тонн. А РЧД с массой 10(22) кг имеет размер всего лишь 15 микрометров.
Итак, теоретические разработки космологов подвигают нас к мысли о том, что заметная доля материальной части Вселенной может состоять из микроскопически малых по размеру черных дыр реликтового происхождения, образовавшихся в первые моменты существования нашего мира. Но эти догадки вызывают следующие вопросы: где находятся эти «реликтовые творения»? Как они могут заявить о своем существовании? Что нас может ожидать при встрече с ними?
Эволюция реликтовых черных дыр
С некоторыми оговорками можно утверждать, что РЧД, как и атомы, практически вечны. Правда, в некоторых случаях атом, взаимодействуя с другими частицами, может трансформироваться, разделиться на составные части, исчезнуть как структурная единица. Черная дыра может исчезнуть только в одном случаи - если она приблизится к роковому пределу массы 10(12) кг. При этом она взорвется в процессе квантового испарения. Черные дыры с большими массами неуничтожимы.
Стивен Хокинг открыл процесс «испарения» черных дыр - точнее, доказал, что они обладают хоть и ничтожно малой, но все же ненулевой температурой, и в соответствии с законами термодинамики должны излучать как абсолютное черное тело. Излучение уносит энергию, а следовательно, и массу ЧД, и если не происходит обратных процессов («пополнения» массы), то через неисчислимое множество лет она приблизится к пределу 10(12) кг и взорвется. В реальности - по крайней мере, в нашу эпоху -этого не происходит, т. к. окружающее ЧД пространство представляет собой не абсолютную пустоту, и она «набирает» из него столько вещества, что с избытком компенсирует все потери.
Однако процесс квантового испарения требует детального рассмотрения. Очевидно, что когда черная дыра сравнима по размеру с элементарной частицей (в нашем случае - с электроном), классические подходы становятся бессмысленными. Дело в том, что в физике господствует корпускулярно-волновой дуализм. Это значит, что каждый объект должен одновременно рассматриваться как частица, так и как волна. В нашем случае он утверждает, что свойства РЧД с массой 10(12) кг полностью определяются волновыми процессами, т. е. такая черная дыра является уже не классическим, а квантовым объектом, ее строение и эволюция полностью обусловлены законами квантовой механики.
Квантовые ЧД - слишком сложная задача для рассмотрения в данной статье. Чтобы кратко описать более простой случай, когда квантовые эффекты начинают играть заметную, но не определяющую роль в строении черной дыры, вспомним сначала, за счет каких процессов происходит ее «испарение».
В представлении физиков вакуум - не абсолютная пустота, а место, где постоянно рождаются и исчезают виртуальные пары «частица-античастица» разнообразных видом. Эти пары в результате квантовых флуктуаций спонтанно появляются на некоторое время, а затем снова сливаются. Если же в пространстве создать достаточно сильное электрическое или магнитное поле, то появившиеся частицы, имеющие противоположный заряд, уже не смогут «воссоединиться» и начинают удаляться друг от друга, двигаясь в различных направлениях. Внешне это будет выглядеть как рождение материи «из ничего». На самом же деле пары частиц порождает энергия поля, то есть закон сохранения при этом не нарушается.
Вблизи ЧД таким «разделителем» является мощное гравитационное поле. Оно поляризует вакуум. В результате виртуальные пары частиц уже не могут слиться обратно - гравитация разделит их. Одна из частиц упадет на черную дыру, другая сможет ее покинуть. Возникает постоянный поток равных частиц и античастиц, уходящих в окружающее пространство. Из взаимная аннигиляция порождает излучение. ЧД с массой 10(12) кг излучает гамма-кванты с энергией 50 МэВ.
Чем меньше размер черной дыры - тем сильнее поляризация вакуума, тем интенсивнее процесс испарения, тем выше температура излучения. У ЧД с массой 10(12) кг эта температура достигает 100 млрд. кельвинов, мощность составляет около 300 МВт. В финале раньше или позже все закончится «квантовым взрывом».
Для физиков стало сюрпризом, что субъектам квантовой теории поля оказались не только элементарные частицы и вакуум, но и реликтовы черные дыры с массой в миллиарды тонн. Наше воображение не способно понять, как совместить чудовищную массу с размером электрона, температурой в миллиарды градусов и мощностью в сотни мегаватт. Но поскольку ни один закон природы в данном случае не нарушен, с выводами теории следует согласиться и признать их реальность. Утешением может послужить афоризм Козьмы Пруткова: «Глядя на мир, нельзя не удивляться».
Долгая жизнь
Космологи Джейкоб Бекенстейн и Деннис Шама в 70-е годы показали, что если поместить черную дыру в термостат, т.е. в материальную среду, она будет работать как тепловая машина с коэффициентом полезного действия 0,59. В отличие от твердого тела, ЧД испытывает крайне малое сопротивление при движении сквозь материю. Она проходит через любое вещество - будь то планета или звезда - свободно, как сквозь вакуум. Таким образом черную дыру практически невозможно остановить. Впрочем, слегка замедлить ее движение способно вещество нейтронных звезд, имеющее плотность атомных ядер.
Как уже было сказано, «голая» черная дыра околокритической массы излучает мощность около 300МВт. Если поместить такой объект в материальную среду, она начнет аккумулировать из нее вещество. Этот процесс в астрономии называется аккрецией. Светимость ЧД сразу возрастет более чем в 10 тыс. разз (примерно до 5 тераватт) - каждую секунду будет излучать энергию, эквивалентную выделяемой при взрыве тысячи тонн тротила. Аккреция является саморегулируемым процессом. В зависимости от своей скорости вращения черная дыра аккумулирует от 6 до 42% падающего вещества, остальное «перерабатывается» в основном в мощное гамма-излучение. Давление этого излучения на падающее вещество препятствует катастрофическому процессу наращивания массы. В 1962 году английский астрофизик Артур Эддингтон вычислил критический предел совместимости небесного тела, регулируемый давлением излучения - т.н. «предел Эддингтона». Формулы, выведенные этим ученым, позволяют вычислить светимость ЧД при аккреции вещества. Поразительно, но процесс «утяжеления» одиночной дыры за счет этого процесса оказывается чрезвычайно медленным: в условиях термостата она увеличивает свою массу вдвое примерно за один миллиард лет.
Конечно же, на современном этапе эволюции Вселенной концентрация РЧД в пространстве исключительно низка, однако полностью исключить вероятность столкновения одной из них с нашей планетой невозможно. Интересно, что последствия такого столкновения не будут такими уж фатальными. Относительная скорость движения черной дыры должна быть не менее второй космической (11,2 км/с), а на самом деле окажется еще в несколько раз больше. Она промелькнет перед взором наблюдателя за считанные секунды в виде огненного шара диаметром порядка полукилометра, беспрепятственно войдет в Землю, пронзит ее насквозь, выйдет с противоположной стороны и удалится в космос. На каждом метре траектории ее движения выделится энергия, эквивалентная энергии взрыва 25 кг тринитротолуола (а на протяжении километра - примерно равная мощности ядерной бомбы, сброшенной на Хиросиму). Пострадают люди, животные и строения, находящиеся в нескольких сотнях метров от «точки входа» и «точки выхода»… но это, согласитесь, еще далеко не конец света.
Существует определенная вероятность того, что реликтовые черные дыры «прячутся» в недрах звезд или планетоподобных тел. Как они могли там оказаться? Например в результате захвата в процессе формирования звезды или планеты из межзвездного газово-пылевого облака. Это может быть верным в отношении нашего Солнца, так и, вероятно, Юпитера с Сатурном. Наличие даже очень маломассивного релятивистского «гравитационного реактора» неизбежно приведет к существенным изменениям в сценарии эволюции небесного тела.
Если масса реликтовой черной дыры окажется более 10(-5) массы Солнца, основной вклад в светимость звезды будет вносить не термоядерная реакция превращения водорода в гелий, а «гравитационный реактор». В этом случае светимость будет эволюционировать в направлении предела Эддингтона, что должно привести, в конце концов, к значительному расширению звезды и потере глобальной устойчивости.
Важный намек на возможное «инфицирование» планет реликтовыми черными дырами можно найти в Солнечной системе. Известно, что Юпитер и Сатурн излучают больше энергии, чем получают от Солнца. Избыточный тепловой поток в масштабе 200% составляет соответственно 4.8 * 10(11) и 8.6 * 10(10) МВт. Измерения теплового потока от других планет показывают избыток на уровне нескольких процентов.
Для объяснения избыточного энергопроизводства Юпитера и Сатурна достаточно предположить, что массы реликтивных черных дыр, захваченных ими 4 * 10(16) и 7 * 10(15) кг соответственно. Эти микроскопические объекты по размеру сравнимы с атомом водорода (10(-10)м). Можно предположить, что в недрах этих планет свободно вращаются не единичные черные дыры, а целый «чернодырный рой»…
А можно даже представить себе некую планету с релятивистским гравитационным реактором в виде РЧД внутри, действующим как самодостаточный источник тепла. Такая планета может вовсе не нуждаться в близкой звезде для поддержания жизни на ее поверхности, причем градиент температур между теплой планетой и космическим холодом будет снабжать эту жизнь энергией практически вечно - источник энергии никогда не иссякнет и не может исчезнуть. Следующим этапом размышлений на эту тему просто обязана стать фантазия о развитой цивилизации, умеющей находить подобны объекты или даже создавать их искусственно, чтобы потом использовать в качестве «межзвездных кораблей» и одновременно - вечного пристанища Галактического Разума. Но такие предположения уже выходят слишком далеко за рамки современной науки… хотя, снова-таки, не противоречат никаким ее проявлениям.