Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной - читать онлайн книгу. Автор: Стивен Хокинг cтр.№ 16

С другой стороны, как вы узнали из прошлой лекции, могут существовать первичные черные дыры с гораздо меньшими массами, образовавшиеся в результате коллапса неоднородностей на самых ранних этапах эволюции Вселенной. Такие черные дыры должны иметь более высокую температуру и испускать излучение гораздо интенсивнее. Время жизни первичной черной дыры с начальной массой в миллиард тонн должно приблизительно равняться возрасту Вселенной. Первичные черные дыры с начальными массами меньше этого значения должны были уже полностью испариться. Однако первичные черные дыры с чуть большей массой должны до сих пор испускать излучение в виде рентгеновских и гамма-лучей. Эти лучи аналогичны световым, но имеют гораздо более короткие длины волн. Такие черные дыры не заслуживают эпитета «черные». Они раскалены добела и излучают энергию с мощностью около десяти тысяч мегаватт.

Одна такая черная дыра могла бы заменить десять крупных электростанций, если бы мы научились использовать ее энергию. Однако добиться этого довольно сложно. Такая черная дыра имела бы массу горы, сжатой до размеров атомного ядра. Если бы одна из таких черных дыр оказалась на поверхности Земли, предотвратить ее падение сквозь пол к центру Земли было бы невозможно. Она стала бы колебаться, пролетая сквозь Землю туда и обратно, пока со временем не остановилась бы в центре. Таким образом, единственным местом для такой черной дыры, где мы смогли бы использовать ее энергию, является орбита вокруг Земли. А единственный способ поместить ее на околоземную орбиту — «заманить» ее туда с помощью массивного объекта, расположенного перед черной дырой и притягивающего ее, как морковка, подвешенная перед носом ослика. Это звучит не очень практично, по крайней мере для ближайшего будущего.

Поиск первичных черных дыр

Даже если мы не можем использовать излучение этих первичных черных дыр, каковы наши шансы наблюдать их? Мы могли бы поискать гамма-излучение, испускаемое первичными черными дырами на протяжении почти всего времени их существования. Излучение большинства из них может быть очень слабым из-за их удаленности, однако суммарное излучение от всех первичных черных дыр может поддаваться обнаружению. И мы на самом деле наблюдаем такое фоновое гамма-излучение. Однако оно может быть связано с процессами, не имеющими отношения к первичным черным дырам. Кто-то может утверждать, что наблюдения фонового гамма-излучения никак не доказывают существование первичных черных дыр. Но они указывают на то, что, в среднем, в каждом кубическом световом годе Вселенной не может существовать больше трехсот небольших черных дыр. Эта предельная цифра означает, что первичные черные дыры могут составлять не более одной миллионной доли средней плотности массы во Вселенной.

Может показаться, что раз первичные черные дыры столь редки, вряд ли одна из них окажется достаточно близко от нас, чтобы мы могли ее наблюдать. Но поскольку гравитация притягивает первичные черные дыры к любой материи, в галактиках они должны встречаться чаще. Если бы они встречались в галактиках в миллион раз чаще, то ближайшая к нам черная дыра находилась бы на расстоянии около миллиарда километров от нас, примерно как Плутон — один из самых далеких объектов Солнечной системы. На таком расстоянии было бы все еще очень трудно зарегистрировать устойчивое излучение черной дыры, даже если его мощность составляла бы десять тысяч мегаватт.

Для наблюдения первичной черной дыры необходимо в течение достаточного периода времени, например недели, зарегистрировать несколько квантов гамма-излучения, приходящих с одного направления. В противном случае это может быть просто часть фонового излучения. Но в соответствии с принципом квантования Планка каждый квант гамма-излучения обладает очень высокой энергией, поскольку гамма-лучи имеют очень высокую частоту. Поэтому для излучения даже десяти тысяч мегаватт не требуется много квантов. Для регистрации этих нескольких квантов, приходящих с расстояния, на котором расположен Плутон, необходим более крупный приемник гамма-лучей, чем любой из построенных к настоящему времени. Более того, этот приемник должен располагаться в космосе, поскольку гамма-лучи не могут проникать через атмосферу.

Это художественное представление космического фейерверка во вращающейся массивной черной дыре. Черная дыра подпитывается непрерывным падением в нее газа и звезд, расположенных поблизости. Процесс гравитационной аккреции гораздо эффективнее преобразует массу в энергию, чем процессы термоядерного синтеза, питающие отдельные звезды. Из-за чрезвычайно высоких значений давления и температуры около черной дыры часть падающего газа выбрасывается в направлении оси вращения черной дыры, создавая галактический джет.

Разумеется, если черная дыра, расположенная на расстоянии Плутона, достигнет конца своего существования и взорвется, зарегистрировать конечный всплеск излучения будет несложно. Однако если черная дыра испускала излучение последние 10 или 20 млрд лет, вероятность того, что она закончит свое существование в течение ближайших нескольких лет, крайне мала. Это с одинаковой вероятностью могло произойти как несколько миллионов лет назад, так и может случиться через несколько миллионов лет в будущем. Чтобы иметь достаточно хорошие шансы наблюдать взрыв черной дыры до того, как истечет срок вашего исследовательского гранта, вам придется изобрести способ регистрации любых взрывов, происходящих на расстоянии порядка одного светового года. И вы все равно столкнетесь с проблемой создания крупного приемника гамма-лучей, способного зарегистрировать небольшое число гамма-квантов от этого взрыва. Однако в этом случае не потребуется определять, что все кванты пришли с одного и того же направления. Чтобы можно было считать, что они порождены одним взрывом, достаточно будет убедиться, что все они достигли приемника в течение очень короткого интервала времени.

Уникальным приемником гамма-лучей, способным обнаружить первичные черные дыры, является атмосфера Земли. (В любом случае, маловероятно, что мы сможем построить более крупный приемник.) Когда обладающий высокой энергией гамма-квант сталкивается с атомом в атмосфере Земли, рождаются пары электрон-позитрон. Когда они в свою очередь сталкиваются с другими атомами, образуются новые пары электрон-позитрон. Начинается так называемый электронный ливень, результатом которого является некая форма света, называемая излучением Черенкова. Следовательно, можно наблюдать гамма-всплески в виде вспышек света на ночном небе.

Разумеется, существует множество других явлений, порождающих вспышки на небе, например разряды молнии. Однако гамма-всплески отличаются от подобных эффектов тем, что гамма-всплески наблюдаются одновременно в двух или нескольких пунктах, находящихся на достаточно большом расстоянии друг от друга. Два ученых из Дублина, Нил Портер и Тревор Уикс, провели поиск таких гамма-всплесков с помощью телескопов, установленных в Аризоне. Они зарегистрировали множество вспышек, но ни одну из них нельзя было с уверенностью приписать всплескам гамма-излучения первичных черных дыр.