Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 71

Так как время жизни первичной чёрной дыры определяется её начальной массой, ясно, что самые маленькие чёрные дыры, возникшие при большом взрыве, уже должны были испариться. До наших дней могли сохраниться лишь те из первичных чёрных дыр, массы которых превышали несколько миллиардов тонн (10 15 г). Значит, если учёным и удастся когда-нибудь обнаружить в космосе первичные чёрные дыры, то они будут не менее массивны, чем средний астероид, хотя, вероятно, их размеры не будут превышать размеров атома. Обнаружить эти весьма малые объекты было бы возможно по испускаемой ими огромной энергии, вероятно, в виде очень жестких гамма-лучей.

Проблема возможного обнаружения первичных чёрных дыр в космосе самым непосредственным образом связана с тем, сколько же таких дыр должно было образоваться во время Большого Взрыва? В конце 1975 г. Бернард Карр, несколько лет работавший с Хоукингом, выдвинул серьёзные доводы в пользу того, что первичных чёрных дыр должно быть довольно много. Карр имел в виду, что в центре галактик возможно присутствие массивных первичных чёрных дыр (с массами более миллиона масс Солнца). Если это так, то, быть может, рядом с нашей Солнечной системой или даже в её составе найдутся две-три маленькие первичные чёрные дыры. Возможно (хотя и маловероятно), что маленькая чёрная дыра обращается по орбите около Солнца, не замечаемая нами.

Если бы в нашей Солнечной системе или вблизи неё была обнаружена первичная чёрная дыра, отсюда следовали бы выводы большой важности. Я думаю, что сейчас мы располагаем уже техникой, позволяющей отправиться на ловлю такой чёрной дыры с тем, чтобы доставить её на Землю. Если поместить эту дыру на орбиту около Земли, то энергию, которую она испаряет, можно передавать на Землю пучком микроволн, получая таким образом огромное количество энергии без загрязнения среды. Это повлекло бы за собой большие экономические и социальные последствия. Мы не только перестали бы зависеть от ископаемых в виде горючего, но и термоядерное оружие оказалось бы бесполезной игрушкой, если бы на околоземной орбите оказалась чёрная дыра. Поэтому не исключено, что заумные математические расчёты горстки астрофизиков-теоретиков окажут серьёзное воздействие на весь ход истории человечества.

ПОСЛЕДНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, КАСАЮЩИЕСЯ ПЕРВИЧНЫХ ЧЁРНЫХ ДЫР

В конце 1976 г., когда рукопись этой книги отправлялась в типографию, были получены некоторые важные теоретические результаты, касающиеся возможности существования большого числа первичных чёрных дыр, разбросанных по всей Вселенной. Я рад, что мне удалось включить в книгу эти краткие замечания.

В начале 1970-х годов Стивен Хоукинг показал, что во время Большого Взрыва могло образоваться множество маленьких чёрных дыр. К середине 1970-х годов он заключил, что вследствие квантовомеханических эффектов эти первичные чёрные дыры должны испускать частицы и излучение. В результате такого процесса испускания вещества и энергии первичные чёрные дыры испаряются и взрываются. Во время взрыва первичной чёрной дыры вся её масса преобразуется в весьма краткую и мощную вспышку гамма-лучей очень высокой энергии. Как упоминалось в конце гл. 17, все первичные чёрные дыры малой массы теперь должны уже были испариться. Дожить до наших дней могли лишь первичные чёрные дыры умеренной массы, т.е. те из них, масса которых превышает несколько миллиардов тонн (5-1014 г).

В 1975 г. Джордж Ф. Чаплин заметил, что по наблюдаемому фону гамма-лучей можно оценить максимальное число первичных чёрных дыр, существующих сейчас во Вселенной. Если предположить, что всё наблюдаемое гамма-излучение космического фона вызывается испарением чёрных дыр, то, как показал Дон Н. Пейдж, внутри галактик не может быть более чем 300 миллионов первичных чёрных дыр на каждый кубический световой год, если считать, что все дыры находятся именно в галактиках. (Этот «верхний предел» снижается до значения 300 первичных чёрных дыр на кубический световой год, если дыры распределены во Вселенной равномерно.) Конечно, значительная часть фонового гамма-излучения может быть обусловлена иными эффектами, а не испарением первичных чёрных дыр, так что число этих чёрных дыр, существующих сегодня, должно быть намного меньше, чем приведенный выше верхний предел.

В октябре 1976 г. Д. Н. Ч. Лин, Б. Дж. Карр и С. М. Фолл, разрабатывавшие эту проблему, опубликовали результаты своих вычислений. Они показали, что наблюдаемое фоновое гамма-излучение не обязательно ограничивает верхний предел числа первичных чёрных дыр, которые могли бы существовать в наше время. Лин, Карр и Фолл доказали, что при некоторых обстоятельствах очень малые первичные чёрные дыры, образовавшиеся во время Большого Взрыва, могут так сильно вырасти, что превратятся в первичные чёрные дыры умеренной массы (т. е. в дыры, имеющие массу порядка миллиардов тонн) ещё до того, как пройдет 1/10000 с с момента рождения Вселенной. Если это действительно имело место, то в космосе могут быть рассеяны большие количества первичных чёрных дыр умеренной массы. Так как они ещё не испарились полностью и не взорвались, их присутствие остаётся незамеченным и они ещё не внесли своего вклада в фоновое гамма-излучение.

Маленькие первичные чёрные дыры смогут превратиться в дыры умеренной массы, лишь если на самых ранних этапах существования Вселенной давление будет достаточно велико. Точнее говоря, рост масс первичных чёрных дыр зависит от уравнения состояния, характеризующего Вселенную на ранних этапах. Уравнение состояния выражает связь между давлением и плотностью материи. Если давление настолько велико, что равно плотности, то уравнение состояния называют «жестким». Обычно же давление меньше, чем плотность, и уравнение состояния характеризуется как «мягкое». Если сразу же после Большого Взрыва условия во Вселенной были такими, что её уравнение состояния было «жестким», то давление (по сравнению с плотностью) могло оказаться настолько большим, что вещество под действием этого давления спрессовывалось в маленькие первичные чёрные дыры. Затем по той же причине эти чёрные дыры очень быстро вырастали, становясь чёрными дырами умеренной массы.

Когда возраст Вселенной превысил 1/10000 с, уравнение состояния должно было стать «мягким» и оставаться таким всегда. Начиная с этого момента, материя во Вселенной стала достаточно рассеянной для того, чтобы уравнение состояния уже никогда не смогло стать «жестким». Вопрос о том, было ли уравнение состояния для Вселенной до возраста 1/10000 с «жестким», остаётся очень спорным. Однако Лин, Карр и Фолл доказали, что если уравнение состояния для Вселенной было «жестким» только в течение первой одной триллион-триллионной секунды (10-24 с) после Большого Взрыва, то давление должно было оставаться в течение достаточно длительного периода столь высоким, чтобы все первичные чёрные дыры приобрели умеренное значение массы (т.е. чтобы масса каждой из них превысила несколько миллиардов тонн). Ни одна из таких первичных чёрных дыр не стала бы достаточно малой, чтобы полностью испариться до наших дней. Все они должны были бы сохраниться до сих пор, а некоторые, может быть, находятся где-то здесь, в нашей Солнечной системе!

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Аберрация (света звёзд). Явление, при котором вследствие движения наблюдателя изображение звезды смещается в сторону движения.

Абсолютная звёздная величина. Мера истинной яркости звезды. Согласно определению, это та видимая звёздная величина, которую имела бы данная звезда с расстояния 10 парсек.

Абсолютно удалённое. Область пространства-времени, абсолютно недостижимая для материальных объектов из вершины светового конуса.

Абсолютный нуль температуры. Температура 0 градусов Кельвина (0 К), т. е. примерно минус 273°С. Самая низкая из возможных температур.

Азимутальный угол. Здесь угол, отсчитываемый от оси вращения тела чёрной дыры.

Аккреция. Процесс, при котором массивный объект «засасывает» окружающее вещество вследствие своего тяготения.