Все о космосе

Первичные черные дыры или мини-дыры

А вот и нет! Ведь мало массивные ЧД должны иметь высокие температуры, и темпы их испарения намного выше. Эта задача весьма заинтересовала С. Хоукинга, и после двух лет напря­женной работы он выяснил, что сразу же после Большого Взрыва, задолго до образования первых звезд, в космосе должны были существовать флуктуа­ции плотности, которые могли привес­ти к мощному сжатию относительно малых объемов вещества, в результате чего могли образоваться черные мини-дыры с малой массой и микроскопичес­кими размерами. Их назвали первич­ными черными дырами. На современ­ном этапе развития Вселенной ни в ка­ких известных ученым процессах не может реализоваться то огромное давление, которое необходимо для обра­зования ЧД из малого количества ве­щества (см. табл. 1). Первичная ЧД с массой -1012 кг (небольшая гора) имела бы размер, сравнимый с размером про­тона, а плотность, до которой должно было бы сжаться это вещество, чтобы превратиться в ЧД, равнялась бы плот­ности вещества всей наблюдаемой нами Вселенной, спрессованного в сферу ра­диусом всего в 10 см! Такая первичная ЧД имела бы температуру 10" К. В виде излучения электронов, протонов, по­зитронов, нейтрино, фотонов и др. час­тиц она была бы способна отдавать бо­лее 6000 МВт мощности — это мощ­ность нескольких современных элек­тростанций, но излучается она из объе­ма в 10 13 см!

По мере того, как ЧД теряет свою массу, ее температура растет — чем ЧД горячее, тем быстрее она излучает, а чем быстрее излучает, тем быстрее те­ряет массу. Расчеты показывают, что при достижении определенной крити­ческой массы этот процесс резко уско­ряется и заканчивается взрывным вы­бросом остатков массы-энергии. Пер­вичные ЧД с очень малыми массами, наверное, уже давно взорвались, но ис­парение ЧД с массой в миллиарды тонн может длиться около 1010 лет, а эта ве­личина близка к возрасту Вселенной. Таким образом, существует вероят­ность, что некоторые ЧД с такими мас­сами могут взрываться и в наши дни. Реальные теории заключительных эта­пов существования ЧД еще не созданы, но весьма вероятно, что финал их мо­жет сопровождаться гигантскими кос­мическими катаклизмами, причем ос­татки массы-энергии должны излу­чаться в форме гамма-лучей очень вы­соких энергий. По приблизительным оценкам, эти энергии могут составлять от 1027 до 1035 Дж, а это энергия тысяч миллиардов мегатонных водородных бомб. Ученые склоняются к мысли, что в результате такого взрыва от ЧД ниче­го не останется, кроме рассеянного в пространстве излучения. Достойный финал достойной жизни!

Идея мини-дыр оказалась настолько захватывающей, что за короткое время фантасты разродились десятками рома­нов "из жизни мини-дыр", потом их "выявили" в центре Солнца, Земли, по­явились доказательства травмирова­ния ими землян, и даже к Тунгусскому метеориту удалось прицепить лейбл "Сделано мини-дырой".

Вблизи горизонта событий

Для демонстрации особенностей ЧД теоретики любят "отправлять" к ней космонавтов (астронавтов) и наблюдать за их полетами (в одну сторону, пос­кольку вернуться им не удастся). Пер­вая неприятность, ожидающая героя — действие приливных сил — они возни­кают как результат гравитационного воздействия на разные точки одного и того же протяженного тела. Этому влиянию подвергаемся и мы на поверх­ности Земли, но соотношения разме­ров человека и гравитирующего тела (Земли) и размеров космонавта и ЧД, в которую может сжаться Земля после коллапса (около 3 км), несравнимы. Расчеты показывают, что тело космо­навта на горизонте событий ЧД с мас­сой в 10 солнечных масс (размер гори­зонта событий около 30 км) будут раз­рывать силы в десятки тысяч тонн — его тело гравитация растянет прямо таки в спагетти! Честно говоря, его ра­зорвало бы еще задолго до приближе­ния к горизонту событий — единст­венным утешением для бедняги ста­ло бы то, что смерть была бы мгновен­ной — падая со скоростью, близкой к скорости света, он попадет в сингу­лярность через 10 ~4 с после прохожде­ния горизонта событий.

На горизонте событий более мас­сивной ЧД приливные силы намного меньшие — они обратно пропорцио­нальны квадрату массы ЧД. Если бы не осознание того, что падение в син­гулярность неотвратимо, космонавт чувствовал бы себя на горизонте со­бытий ЧД с массой в 100 млн. солнеч­ных масс так же комфортно, как и на Земле.

А теперь дадим нашему космонав­ту передатчик, который строго перио­дически будет посылать нам сигналы в виде импульсов излучения. Космонавт, падая в сингулярность, будет отмечать четкую периодичность им­пульсов своего передатчика. Внеш­ний наблюдатель, сидя в башне те­лескопа, на первых этапах полета космонавта будет отмечать тот же строгий порядок следования импуль­сов, что и космонавт. По мере при­ближения космонавта к сингуляр­ности разница во времени между дву­мя последовательными импульсами, измеренная часами в башне, будет возрастать. Внешний наблюдатель делает вывод, что часы космонавта начинают отставать в результате эф­фекта замедления времени, то есть время задержки сигналов передатчи­ка возрастает. В момент пересечения космонавтом горизонта событий сиг­налы передатчика исчезнут — наблю­датель догадается, что часы космо­навта остановились, и сделает вывод что для достижения горизонта собы­тий ему необходимо бесконечное вре­мя. Однако сам космонавт никак не согласится с наблюдателем — его пе­редатчик все так же стабильно посы­лает сигналы (о том, что наблюда­тель их уже не принимает, он не до­гадывается). Он за считанные секун­ды пересекает горизонт событий и погружается в сингулярность. Если же диаметр ЧД достаточно большой, то космонавт может путешествовать до сингулярности несколько часов и даже дней, может поставить какие-нибудь научные эксперименты с за­ранее приготовленными приборами, получить уникальную информацию — и все... напрасно, поскольку пере­дать ее во внешний мир он уже не сможет — ЧД ввела информацион­ную блокаду.

Как образуются черные дыры

Теперь, когда мы уже кое-что знаем об этих любопытных космических объектах, познакомимся с процессами, которые ведут к их образованию. В кос­мосе нет ничего вечного, все рождается, проживает свою долгую (по земным меркам) жизнь и рано или поздно за­канчивает свое существование. Об од­ном из возможных сценариев появле­ния в космических просторах ЧД мы уже говорили (первичные черные дыры), а сейчас остановимся на пробле­мах, связанных с их образованием. Итак, главная черта ЧД — ее сверх­мощная гравитация. Согласно совре­менным теориям образования звезд, эту гравитацию звезда получает не при рождении, а в процессе дальней­шего развития. Астрофизики утверж­дают, что ЧД образуются на заключи­тельных стадиях эволюции массив­ных звезд — с массой больше 1,25 масс Солнца. Теоретически эти процес­сы исследованы достаточно детально и, более того, вполне надежно подтвер­ждаются наблюдательными данными. Звезды указанной массы после выгора­ния в их недрах всех запасов топлива сжимаются под действием сил тяготе­ния пока их плотность не достигнет 108-109 кг/м3. Такие звезды называют белыми карликами, они бесконечно долго охлаждаются, превращаясь в космических мертвецов — черных карликов. Сколько таких звезд сущес­твует сейчас во Вселенной, доподлин­но не знает никто, однако, известно, что избежать этой участи могут лишь более массивные звезды, но их путь на звездные кладбища проходит через чрезвычайно тяжелые космические испытания. Для более массивной звез­ды открываются два эволюционных пути — нейтронная звезда или же ЧД. Сжатие вещества может не остано­виться на стадии белого карлика и продолжаться до тех пор, пока плот­ность вещества не достигнет 1018 кг/м3 (при радиусе в 10 км!) — наперсток та­кого вещества на земле весил бы нес­колько миллиардов тонн! Так образу­ются нейтронные звезды. В 1939 г. Р. Оппенгеймер со своими коллегами определил, что и здесь природа поста­вила шлагбаум, поскольку масса ней­тронной звезды также ограничена — не более трех солнечных масс. В про­цессе эволюции все звезды тем или иным путем теряют массу — звездный ветер, обмен веществом в двойных системах, вспышки Сверхновых и т. п. Однако не все звезды приходят к стадии нейтронной звезды. Коллапс звезды с массой больше трех солнеч­ных не может остановить никакая сила — вещество будет сжиматься без­гранично в бесконечно малую точку с бесконечно большой плотностью ве­щества. Это и есть ЧД — участок про­странства с безгранично сильными гра­витационными полями. "Крестным отцом" черных дыр стал в 1968 г. Дж. А. Уиллер.

Таблица