Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках - Мухин Лев Михайлович - Страница 57

Согласно этим законам частица имеет вполне определенную отличную от нуля вероятность преодолеть потенциальный барьер, пройти как бы сквозь него. Поэтому такие переходы называются туннельными.

Ну а теперь нам осталось разобраться в том, как рождаются частицы вблизи горизонта событий черной дыры. Собственно говоря, «спонтанное» рождение частиц для современной квантовой физики процесс неновый. Например, очень сильное электрическое поле в вакууме может вызвать рождение электрона и позитрона.

Суть открытия Хокинга состоит в том, что чудовищное гравитационное поле черной дыры также рождает частицы и античастицы. Иногда частица и античастица падают обратно в черную дыру, но возможен случай, когда в дыру попадает лишь один партнер, а другой покидает окрестность черной дыры с помощью туннельного эффекта.

Ясно, что для рождения пары должна быть затрачена энергия. Хокинг строго доказал, что весь этот процесс может и должен идти за счет уменьшения массы черной дыры, ее испарения. Ну а если происходит процесс испарения, пусть даже квантового испарения, то можно сказать, что тело имеет некоторую температуру. Хокинг вычислил значение температуры черных дыр, и оказалось, что чем больше масса черной дыры, тем меньше ее температура. Другими словами, чем массивнее дыра, тем меньше темп потери ею массы. Так, черная дыра с массой, равной массе Солнца, будет иметь температуру менее одной миллионной градуса, а испарится она полностью за 1064 лет! Поразительный вывод!

Согласно классической теории и вещество, и энергия бесконтрольно и необратимо исчезали из нашего мира в бесконечных колодцах гравитационных могил — черных дыр. Квантовая физика описала все процессы с точностью «до наоборот». Наша книга не перегружена формулами, и поэтому давайте посмотрим на простые соотношения, определяющие температуру черных дыр и время их испарения. Итак,

Τ = M/M · 10–7 K

τисп = 10–35 · M3 лет.

Здесь M, как обычно, масса Солнца, M — масса черной дыры в единицах массы Солнца, а во второй формуле массу черной дыры нужно выражать в граммах.

Уже первый взгляд на эти соотношения вызывает ощущение недоумения. Ведь достаточно горячими могут быть лишь дыры с массой, существенно меньше массы Солнца. Так, чтобы дыра имела температуру всего лишь в 1 К, она должна быть легче Земли. А ведь мы говорили о том, что лишь массивные звезды могут превратиться в черные дыры. В чем же здесь дело?

Значение открытия Хокинга состоит не только в том, что он опроверг устоявшееся представление о вечности черных дыр. Еще до появления в свет работы о квантовом испарении Хокинг показал, что в первые мгновения после Большого Взрыва флуктуации плотности могли привести к чудовищному сжатию сравнительно небольших объемов вещества. Следствием такого процесса должно было быть образование черных мини-дыр.

Подобные давления сейчас нельзя получить ни в одном процессе. Однако в те далекие времена у природы были широкие возможности. Чтобы ощутить грандиозность этих процессов, приведем следующий пример. Первичная черная дыра с массой в миллиард тонн имела бы размер, сравнимый с размером протона, а плотность, до которой должно было бы сжаться вещество, чтобы получить черную дыру, равнялась бы плотности вещества всех галактик наблюдаемой Вселенной, спрессованной в литровую банку! Температура ее составляла бы 100 миллиардов градусов, а мощность излучения — 6000 мегаватт.

Ясно, что чем горячее дыра тем быстрее она теряет массу. Самые маленькие первичные дыры должны были уже давно взорваться, а вот дыра с массой в миллиарды тонн будет испаряться примерно 10 миллиардов лет. Такие дыры должны взрываться в наше время. Конечная стадия испарения — взрыв — высвобождает огромное количество энергии равное взрыву десяти миллионов мегатонных водородных бомб.

Таким образом, если бы и удалось создать искусственно черную дыру для того, чтобы использовать ее как источник энергии, это было бы чрезвычайно опасной затеей. Трудно представить себе, чтобы источник энергии с мощностью, равной мощности нескольких крупных электростанции, имел бы размеры, сравнимые с размером протона! Если черные дыры звездной массы существуют, именно они произведут космический салют гибнущей Вселенной (в случае ее неограниченного расширения) через огромный, недоступный воображению промежуток времени. Их взрывы и ознаменуют собой превращение последних островков материи в излучение.

Идея черных мини-дыр настолько привлекательна, что с ее помощью пытались объяснить даже, казалось бы, такое далекое от релятивистской астрофизики событие, как падение Тунгусского метеорита. В свое время была опубликована работа, где утверждалось, что катаклизм в районе Подкаменной Тунгуски произошел в результате столкновения мини-дыры с Землей! Идея эта, конечно же, чересчур экстравагантна, но она, по всей видимости, все-таки «уступает» идеям связанным с взрывом в атмосфере Земли космического корабля пришельцев.

Все, о чем мы говорили сейчас, относится к области теоретической астрофизики. Но найдены ли черные дыры в природе?

Эти вопросы стоят сегодня с особенной остротой на повестке дня. Ведь черные дыры настолько часто привлекаются для объяснения различных явлений в космосе, что они — настоящий якорь спасения современной астрофизики. Более того, их отсутствие просто выбило бы почву из-под ног всей астрономии. Но как их искать?

Светящееся вещество в окрестностях черной дыры.

Если черная дыра представляет собой одиночный объект, ее практически невозможно заметить. Лишь в том случае, если она работает как гравитационная линза, мы могли бы сделать кое-какие выводы. Но пока, к сожалению, на роль гравитационных линз претендуют лишь массивные галактики.

Наиболее реальный способ обнаружения черных дыр — исследование их взаимодействия с окружающей материей. Понятно, что такое взаимодействие будет наиболее выпукло проявляться в двойных системах.

Вообще говоря, более половины звезд нашей Галактики входят в состав двойных систем. Поэтому вполне реально предположение о существовании двойных систем, содержащих в качестве одного из компаньонов черную дыру. Астрономы поначалу пытались определить наличие черной дыры в двойных системах по особенностям движения видимого компонента, но в результате всегда оказывалось, что второй компонент в системе белый карлик или нейтронная звезда. Поэтому-то наиболее обещающий метод — поиск активности черных дыр, которая проявляется во взаимодействии ее с веществом.

Мы уже говорили об аккреции вещества на нейтронную звезду, на белый карлик, на черную дыру, читатель знает, что это такое. Тем не менее вкратце напомним основные особенности этого процесса.

Пусть в состав двойной системы входит обычная звезда главной последовательности и черная дыра. Она будет перетягивать на себя вещество видимого компонента. Из-за вращения этих звезд вокруг общего центра тяжести это вещество не будет падать на дыру «по прямой», а образует аккреционный диск. На внешнем краю диска температура газа сравнительно невелика, порядка температуры самой звезды. Но по мере приближения частичек газа к горизонту событий температура за счет трения при вращении диска значительно повышается, достигая десятков миллионов градусов. Оценки показывают, что в таком процессе выделяется огромное количество энергии — до 10 процентов от mc2.

Нагретый до чудовищных температур газ излучает в рентгеновском диапазоне, и поэтому советские ученые Я. Зельдович, И. Новиков, И. Шкловский предложили в 1966–1967 годах искать рентгеновские источники в составе тесных двойных систем. Ясно, что характеристики таких источников должны отличаться от рентгеновского излучения вращающейся нейтронной звезды, входящей в состав двойной системы. Такая звезда, как мы уже знаем, дает узконаправленное рентгеновское излучение прожекторного типа с изменяющимся периодом.