10554-1 (Черные дыры), страница 4

Поскольку энергию нельзя создать из ничего, один из членов па-ры частица - античастица будет иметь положительную энергию, а второй - отрицательную. Тот, чья энергия отрицательна, может быть только короткоживущей виртуальной частицей, потому что в нормальных ситуациях энергия реальных частиц всегда положитель-на. Значит, он должен найти своего партнера и с ним аннигили-ровать. Но, находясь рядом с массивным телом, реальная частица обладает меньшей энергией, чем вдали от него, так как для того, что-бы преодолеть гравитационное притяжение тела и удержаться вда-ли от него, нужна энергия. Обычно энергия частицы все-таки по-ложительна, но гравитационное поле внутри черной дыры так вели-ко, что даже реальная частица может иметь там отрицательную энергию. Поэтому, если имеется черная дыра, виртуальная частица с отрицательной энергией может упасть в эту черную дыру и прев-ратиться в реальную частицу или античастицу. В этом случае она уже не обязана аннигилировать со своим партнером, а покинутый партнер может либо упасть в ту же черную дыру, либо, если его энергия положительна, выйти из области вблизи черной дыры как реальная частица или как античастица. Удаленному наб-людателю покажется, что этот партнер испущен из черной дыры. Чем меньше черная дыра, тем меньше расстояние, которое придется пройти частице с отрицательной энергией до превращения в реаль-ную частицу, и, следовательно, тем больше скорость излучения и кажущаяся температура черной дыры.

Положительная энергия испускаемого излучения должна урав-новешиваться потоком частиц с отрицательной энергией, направлен-ным в черную дыру. Согласно уравнению Эйнштейна Е == тс2 (где Е - энергия, m - масса, с - скорость света), энергия прямо пропорциональна массе, а поэтому поток отрицательной энергии, входящий в черную дыру, уменьшает ее массу. Когда черная дыра теряет массу, площадь ее горизонта событий уменьшается, но это уменьшение энтропии черной дыры с лихвой возмещается энтро-пией испущенного излучения, так что второй закон термодинами-ки никогда не нарушается.

Кроме того, чем меньше масса черной дыры, тем выше ее тем-пература. Поэтому, когда черная дыра теряет массу, ее температу-ра и скорость излучения возрастают и, следовательно, потеря массы идет еще быстрее. Пока еще не совсем ясно, что происходит, когда масса чёрной дыры в конце концов становится чрезвычайно малой, но наиболее логичным представляется, что черная дыра полностью исчезает в гигантской последней вспышке излучения, эквивалентной взрыву миллионов водородных бомб.

Температура черной дыры с массой, равной нескольким мас-сам Солнца, должна быть равна всего одной десятимиллионной градуса выше абсолютного нуля. Это гораздо меньше, чем темпера-тура микроволнового излучения, заполняющего Вселенную (около 2,7° выше абсолютного нуля). Следовательно, черные дыры должны излучать даже меньше, чем поглощать. Если Вселенной суждено вечно расширяться, то температура микроволнового излучения в конце концов упадет ниже температуры такой черной дыры и черная дыра начнет терять массу. Но и тогда ее температура будет настоль-ко низкой, что она полностью испарится лишь через миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с шестью-десятью шестью нулями) лет. Это значительно превышает возраст Вселенной, который равен всего десяти или двадцати тысячам мил-лионов лет (единица или двойка с десятью нулями). Но, как гово-рилось ранее, могли существовать первичные черные дыры с гораз-до меньшей массой, образовавшиеся в результате коллапса нерегулярностей на очень ранних стадиях развития Вселенной. Такие черные дыры должны иметь гораздо более высокую температуру и испускать излучение с гораздо большей интенсивностью. Время жизни первичной черной дыры с начальной массой тысяча мил-лионов тонн должно быть примерно равно возрасту Вселенной. Пер-вичные черные дыры с меньшими начальными массами должны были бы уже полностью испариться, а те, у которых начальные массы чуть-чуть больше, должны продолжать испускать рентгенов-ские и гамма-излучение. Эти виды излучения аналогичны световым волнам, но имеют гораздо меньшую длину волны. К подобным дырам едва ли подходит название черные, на самом деле они раскалены добела и излучают энергию с мощностью около десяти тысяч мега-ватт.

Одна такая черная дыра могла бы обеспечить работу десяти крупных электростанций, если бы только мы умели использовать ее энергию. А это довольно трудно: наша черная дыра имела бы массу, равную массе горы, сжатую примерно до одной миллион миллионной (единица, деленная на миллион миллионов) сантимет-ра, т. е. до размеров атомного ядра! Если бы одна из таких черных дыр оказалась на поверхности Земли, то мы никак не могли бы пре-дотвратить ее падение сквозь пол к центру Земли. Она колебалась бы взад-вперед вдоль земной оси до тех пор, пока в конце концов не остановилась бы в центре. Следовательно, единственное место для этой черной дыры, где излучаемую ею энергию можно было бы использовать,- это орбита вокруг Земли, а единственный способ привлечь черную дыру на эту орбиту - буксировать перед ней огромную массу, как морковку перед самым носом осла. Такое предложение выглядит не слишком реальным, по крайней мере в ближайшем будущем.

Но даже если мы не сможем использовать излучение этих пер-вичных черных дыр, то велика ли возможность их увидеть? Можно было бы искать гамма-излучение, которое черные дыры испускают на протяжении большей части своей жизни. Несмотря на то что чер-ные дыры в основном находятся далеко и поэтому дают очень слабое излучение, суммарное излучение всех черных дыр могло бы подда-ваться регистрации. Мы действительно наблюдаем "фон" такого гамма-излучения: интенсивности наблюдае-мых гамма-лучей различаются при разных частотах (частота - это число волн в секунду). Но источником этого фона могли быть, а может быть, и были не первичные черные дыры, а какие-нибудь другие процессы. Можно сделать вывод, что измерение фона гамма-излучения не дает никакой поло-жительной информации о существовании первичных черных дыр, но указывает на то, что во Вселенной не может быть в среднем больше 300 черных дыр в каждом кубическом световом году. Этот предел означает, что первичные дыры могли бы составлять максимум одну миллионную всего вещества во Вселенной.

При таком скудном количестве черных дыр могло бы показаться неправдоподобным, чтобы какая-нибудь из них оказалась очень близко от нас и ее можно было бы наблюдать как некий отдельный источник гамма-излучения. Но поскольку под действием гравитации первичные черные дыры должны притягиваться к любому веществу, их должно быть гораздо больше внутри и вокруг галактик. Следова-тельно, хотя вычисленный фон гамма-излучения говорит о том, что в одном кубическом световом году не может быть в среднем больше 300 первичных черных дыр, он не дает никакой информации о том, насколько часто первичные черные дыры встречаются в нашей соб-ственной Галактике. Если бы их было, скажем, в миллион раз больше, то ближайшая к нам черная дыра могла оказаться на расстоянии тысяча миллионов километров, т. е. примерно на уровне Плутона, самой далекой из известных планет. На таком расстоянии все равно очень трудно зарегистрировать постоянное излучение чер-ной дыры, даже если его мощность равна десяти тысячам мегаватт. Для наблюдения первичной черной дыры требуется зарегистриро-вать несколько гамма-квантов, пришедших с одной и той же сторо-ны, в течение какого-нибудь разумного интервала времени, скажем за неделю. Иначе они могут оказаться просто частью фона. Но по закону Планка каждый гамма-квант обладает большой энергией, так как гамма-излучение имеет высокую частоту, следовательно, для излучения даже десяти тысяч мегаватт потребуется не очень много квантов. А для наблюдения этих нескольких квантов, пришедших с расстояния, равного расстоянию до Плутона, нужен был бы детек-тор гамма-излучения намного большего размера, чем любой из ныне существующих. Кроме того, этот детектор нужно было бы поместить в космосе, потому что гамма-излучение не проходит через атмо-сферу.

Разумеется, если бы черная дыра, находящаяся на расстоянии Плутона, закончив свой жизненный цикл, взорвалась, последний всплеск излучения можно было бы с легкостью зарегистрировать. Но если черная дыра продолжает излучать в течение последних десяти или двадцати тысяч миллионов лет, то шансы на то, что ее гибель придется на ближайшие несколько лет, а не на те несколько миллионов лет, что уже прошли или еще наступят, действительно очень малы! Значит, чтобы иметь реальную возможность увидеть взрыв до окончания финансирования эксперимента, вы должны при-думать, как регистрировать взрывы, происходящие на расстоянии порядка одного светового года. Вам все равно будет нужен большой детектор гамма-излучения, чтобы зарегистрировать несколько гам-ма-квантов из тех, что образуются при взрыве. Но в этом случае отпадает необходимость проверять, что все гамма-кванты приходят с одной и той же стороны: достаточно будет знать, что все они зарегистрированы в течение очень короткого промежутка времени чтобы быть уверенным в том, что их источником является одна и та же вспышка.

Один из детекторов гамма-излучения, с помощью которого мож-но было бы опознавать первичные черные дыры,- это вся атмосфе-ра Земли. (Во всяком случае, вряд ли нам удастся построить детек-тор большего размера!) Когда гамма-квант, обладающий высокой энергией, сталкивается в земной атмосфере с атомами, рождаются пары из электронов и позитронов (антиэлектронов), которые в свою очередь сталкиваются с атомами и образуют новые электронно-позитронные пары. Возникает так называемый электронный ливень. Связанное с ним излучение представляет собой один из видов свето-вого и называется черенковским. Поэтому вспышки гамма-излуче-ния можно регистрировать, следя за световыми вспышками в ноч-ном небе. Существуют, конечно, и другие явления (такие, как мол-ния и отражение света от крутящихся спутников и обращающихся по орбитам отброшенных ступеней ракет-носителей), которые тоже сопровождаются вспышками на небе. Вспышки, обусловленные гам-ма-излучением, можно отличить от этих явлений, проводя наблю-дения одновременно из двух или большего числа пунктов, сильно удаленных друг от друга. Такие поиски предприняли в Аризоне двое ученых из Дублина, Нил Портер и Тревор Уикс. С помощью теле-скопов они обнаружили несколько вспышек, но ни одну из них нельзя было с определенностью приписать всплескам гамма-излу-чения первичных черных дыр.

Даже если поиск первичных черных дыр даст отрицательные результаты, а он может их дать, мы все равно получим важную информацию об очень ранних стадиях развития Вселенной. Если ранняя Вселенная была хаотической, или нерегулярной, или если давление материи было мало, можно было бы ожидать образования значительно большего числа черных дыр, чем тот предел, который нам дали наблюдения фона гамма-излучения. Объяснить, почему черные дыры не существуют в таком количестве, в котором их можно было бы наблюдать, можно лишь в том случае, если ранняя Вселенная была очень гладкой и однородной, с высоким давлением вещества.

Вывод о том, что черные дыры могут испускать излучение, был первым предсказанием, которое существенным образом основыва-лось на обеих великих теориях нашего века - общей теории отно-сительности и квантовой механике. Вначале этот вывод встретил сильное противодействие, так как шел вразрез с распространенным представлением: "Как черная дыра может что бы то ни было излу-чать?" Когда Хокинг впервые объявил о своих результатах на конферен-ции в Резерфордовской лаборатории под Оксфордом, все к ним отнеслись недоверчиво. В конце доклада председатель секции Джон Тейлор из Кингс-колледжа в Лондоне заявил, что все это че-пуха. Он даже написал статью, чтобы доказать, что Хокинг не прав. Но в конце концов большинство, в том числе и Джон Тейлор, пришли к выводу, что черные дыры должны излучать как горячее тело, если только верны все остальные представления общей теории относи-тельности и квантовой механики. Таким образом, хотя и не уда-лось отыскать первичную черную дыру, но если бы вдруг это удалось, то, по довольно общему убеждению, черная дыра должна была бы испускать мощное гамма- и рентгеновское излучение.

Вывод о существовании излучения, испускаемого черными дыра-ми, по-видимому, означает, что гравитационный коллапс не так уж окончателен и необратим, как думали раньше. Если астронавт упадет в черную дыру, то ее масса увеличится, но в конце концов количество энергии, эквивалентное этой прибавке массы, вернется во Вселенную в форме излучения. Следовательно, в каком-то смысле астронавт будет "регенерирован". Это, конечно, не самый лучший вид бессмертия: собственное представление о времени у астронавта почти наверняка пропадет, когда он разлетится на клочки внутри черной дыры! Даже частицы, испущенные черной дырой для ком-пенсации массы астронавта, будут не теми, из которых он состоял: единственное свойство астронавта, которое сохранится,- это его масса или энергия.

Приближения, которыми Хокинг пользовался в расчетах излучения черных дыр, должны хорошо выполняться, когда масса черной дыры превышает доли грамма, но они неприменимы в конце жизни черной дыры, когда ее масса становится очень малой. По-видимому, наи-более вероятный исход - это просто исчезновение черной дыры, по крайней мере из нашей области Вселенной. Исчезнув, она унесет с собой и астронавта, и любую сингулярность, которая могла бы в ней оказаться. Это было первое указание на возможность устране-ния квантовой механикой сингулярностей, предсказываемых общей теорией относительности. Однако те методы, которыми и Хокинг, и другие ученые пользовались в 1974 г., не могли дать ответы на такие вопросы, как, например, появятся ли сингулярности в квантовой гравитации. Поэтому начиная с 1975 г. Хокинг занялся разработкой более действенного подхода к квантовой гравитации, основанного на фейнмановском суммировании по историям (траекториям). Ответы, полученные при таком подходе, на вопросы о происхожде-нии и судьбе Вселенной и того, что в ней находится, например астронавтов, будут изложены в двух следующих главах. Мы уви-дим, что хотя принцип неопределенности налагает ограничения на точность всех наших предсказаний, он зато устраняет фун-даментальную непредсказуемость, возникающую в сингулярности пространства-времени.

3. Новые открытия относительно черных дыр

По недавнему заявлению астрономов из Университета Огайо, необычное двойное ядро в галактике Андромеды объясняется скоплением звезд, вращающихся по эллиптическим орбитам вокруг какого-то массивного объекта, скорее всего, черной дыры. Такие выводы были сделаны на основе данных, полученных с помощью космического телескопа Hubble. Двойное ядро Андромеды было впервые обнаружено в 70-х годах, но только в середине 90-х была выдвинута теория черных дыр.

Идея о том, что в ядрах галактик существуют черные дыры - не нова. Есть даже все основания полагать, что Млечный путь - галактика к которой принадлежит Земля - имеет в своем ядре большую черную дыру, масса которой в 3 млн раз больше массы Солнца. Однако исследовать ядро галактики Андромеда, которая находится на расстоянии 2 млн световых лет он нас, легче, чем ядро нашей галактики, до которого свет идет всего лишь 30 тыс. лет - за деревьями не видно леса.

Ученые моделируют столкновения черных дыр

Применение численного моделирования на суперкомпьютерах для выяснения природы и поведения черных дыр, исследования гравитационных волн.

Впервые ученые из института гравитационной физики (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), также известного как "институт Альберта Эйнштейна" и расположенного в Гольме, пригороде Потсдама (Германия), промоделировали слияние двух черных дыр. Для запланированного выявления гравитационных волн, испускаемых двумя сливающими черными дырами, необходимо провести полное трехмерное моделирование на суперкомпьютерах.

Плотность черных дыр так велика, что они совершенно не отражают и не излучают света - именно поэтому их так нелегко обнаружить. Однако через несколько лет ученые надеются на существенный сдвиг в этой области. Гравитационные волны, которыми буквально заполнено космическое пространство, в начале следующего столетия могут быть обнаружены с помощью новых средств.