Игорь Новиков - Черные дыры и вселенная

Конечно, произойти это может очень не скоро. Расчеты показывают, что если отсутствуют внешние воздействия, то черная дыра звездной массы испарится и взорвется в конце 1066-летнего периода. Столь большой срок не могут представить себе даже астрономы.

Но, вероятно, эти процессы могут играть важную роль в далеком будущем Вселенной. Об этом мы поговорим в следующей части книги.

Вернемся от последних мгновений жизни черной дыры несколько назад, к ее нормальному состоянию и посмотрим, какие частицы при этом излучаются.

Черная дыра рождает не только фотоны, но и другие частицы. Сравнительно большие черные дыры с массой в несколько солнечных обладают столь низкой температурой, что могут производить только безмассовые частицы. Эти частицы всегда летят со скоростью света и не имеют собственной массы покоя. К ним относятся фотоны, электронные и мюонные нейтрино, а также их античастицы и, наконец, еще не открытые гравитоны — кванты гравитационных волн. Черная дыра с массой, типичной для звезд, рождает особенно много нейтрино (81 процент всего потока) всех сортов, затем фотонов (17 процентов) и гравитонов (2 процента). Тот факт, что разные частицы излучаются в разных количествах, объясняется различием их свойств. Нейтрино испускается больше всего потому, что их квантовое вращение (на языке квантовой физики — спин) минимально (½), а гравитонов меньше всего, так как их спин максимален (2).

Черные дыры малой массы имеют большую температуру. Так, температура черных дыр с массой меньше 1017–1016 граммов, выше 109–1010 градусов. Эти черные дыры порождают, помимо перечисленных частиц, электронно-позитронные пары. Заметим, что размеры таких черных дыр составляют всего 10–11 сантиметра — в 1000 раз меньше размеров атома.

Еще меньшие черные дыры с массой меньше 5 · 1014 граммов способны излучать также мюоны и более тяжелые элементарные частицы.

Размер этих черных дыр уже меньше атомного ядра. Конечно, такие карликовые черные дыры не могут возникать в ходе эволюции звезд. Но их появление было возможным в далеком прошлом. Если в начале расширения Вселенной, когда вещество было плотным, образовались такие «первичные» черные дыры с массой меньше 1015 граммов (теоретически это возможно, как показали Я. Зельдович и автор этой книги), то все они должны к нашему времени испариться. По этой причине процесс, открытый С. Хоукингом, имеет очень важное значение для космологии.

Скорее в плане мечтаний (хотя и строго научных) можно представить себе в отдаленном будущем искусственное изготовление в космосе малых черных дыр. Они могли бы аккумулировать энергию, затраченную на их изготовление, и затем излучать ее в заданном темпе и с заданной энергией частиц, которая определяется массой черных дыр. Так, черная дыра с массой 1015 граммов (масса небольшой горы) будет испускать 1017 эрг в секунду на протяжении 10 миллиардов лет.

Много еще неясного в новом явлении. Например, неизвестно, испаряется ли черная дыра совсем без остатка или на ее месте остается частичка с так называемой планковской массой 10–5 грамма. Неясно, можно ли наблюдать процесс испарения черных дыр во Вселенной. И конечно, пока только фантастическими представляются какие-либо эксперименты с черными дырами в лаборатории физиков. Однако уже то, что известно, заставляет по-новому осмыслить многие аспекты эволюции материи во Вселенной.

Мы заканчиваем рассказ о дырах в пространстве и времени. Меньше столетия назад люди не только понятия не имели о том, что это такое, но даже не смогли бы вообразить их себе, если бы какой-нибудь фантастический путешественник во времени прибыл к ним из нашей эпохи и попытался рассказать о подобных чудесах природы.

Надеемся, что наш рассказ хоть отчасти объяснил необычную популярность темы о черных дырах. И эту часть дилогии мы заканчиваем стихами поэта, выражающими ощущение человека, столкнувшегося с одной из величайших загадок природы, с тем огромным новым миром, который возникает после смерти звезд:

И звезды умирают во Вселенной…Звезда уходит словно в глубь себя,В последнем крике выплеснув все чувства…Уходит внутрь, во тьму, в ничто,оставив бездну времени-пространства,воронку мрака среди звездной пыли.Голодный зев уже иных миров…Что Дантов ад в сравненье с этим адом!Безмолвной бездной, заключенной в сферу,где время перепуталось с пространствоми все пути ведут к уничтоженью.И только черный ветер во Вселенной.Застывший ветер,смерч из звездной пылистоит на страже на краю воронки…

Часть II

К границам бесконечности

Глава 1. Вселенная после взрыва

Путешествуя в мир черных дыр, мы столкнулись с, казалось бы, невозможным — нарастающее поле тяготения буквально переворачивало свойства пространства и времени, открывая возможность удивительных физических процессов. Теперь мы отправляемся совсем к другим границам, отправляемся вдаль, в просторы Вселенной, где неожиданно вновь сталкиваемся с абсолютной властью тяготения. Более того, мы сталкиваемся здесь с потрясающим фактом — наблюдаемая Вселенная является следствием Большого взрыва, происшедшего около 15 миллиардов лет назад, причина которого — таинственная сингулярность, подобная той, что лежит в глубине черных дыр.

Стремление понять мир, в котором мы живем, конечно, было всегда, с тех пор как люди начали мыслить. История эволюции представлений о Вселенной интересна и поучительна. Но знакомство с историей не является нашей целью. Об этом написано много прекрасных книг.

Обратимся сразу к нашему времени, к нашим знаниям. Если мы и станем иногда обращаться к истории, то только к новейшей, а в более отдаленное прошлое науки о всей Вселенной, называемой космологией, будем заглядывать не часто.

Когда мы пытаемся понять, что представляет собой Вселенная, первое, с чем мы сталкиваемся, это распределение небесных тел в пространстве. Нас будут интересовать в первую очередь самые крупные масштабы, доступные астрономам, и мы начнем с крупнейших структурных единиц Вселенной — с галактик.

Напомним читателю, что наше Солнце входит в состав огромной звездной системы, которую астрономы называют Галактикой с большой буквы, или иногда еще — нашей Галактикой. Общее число звезд, составляющих Галактику, около ста миллиардов.

Подавляющая часть звезд Галактики заполняет объем, напоминающий линзу, поперечником в 100 тысяч световых лет и толщиной 12 тысяч световых лет. Вспомним, что световой год — это расстояние, проходимое светом за год, равное 1013 километрам. В межзвездном пространстве находятся разреженный газ и пыль, собранные в большие облака. Общая их масса составляет только 5 процентов от общей массы звезд. Помимо этого «основного тела» Галактики, в ней имеется еще одна составляющая сферической формы радиусом около 5–10 тысяч световых лет. В эту сферическую систему входят звезды, как правило, менее яркие и более старые, чем в сплюснутой системе.

Молодые горячие звезды сплюснутой системы, которую иногда называют диском, собраны в спиральные рукава. Эти рукава начинаются у центральных областей Галактики и раскручивающейся спиралью простираются к ее окраинам.

По имени спиральных рукавов всю нашу Галактику называют спиральной. В спиральных рукавах имеются мощные скопления газа — газовые облака, где происходит образование молодых звезд.

Звезды и газ диска совершают орбитальные движения вокруг центра масс Галактики по почти круговым орбитам. Наше Солнце движется в Галактике со скоростью около 250 километров в секунду и совершает один оборот за 200 миллионов лет. Звезды сферической составляющей тоже движутся вокруг центра, но по очень вытянутым орбитам, произвольно наклоненным к плоскости диска.

Таковы структура и масштабы большого звездного города, как иногда называют нашу звездную систему.

За пределами нашей Галактики находятся другие звездные города — галактики с маленькой буквы. Большинство наблюдаемых галактик имеет размеры, лишь немногим уступающие нашей: в десятки тысяч световых лет, и состоят они из миллиардов звезд.

Все эти звездные системы находятся от нас на расстояниях, превышающих миллионы световых лет. Только ближайшие и крупнейшие из них видны на небе невооруженным глазом в виде туманных пятен, остальные доступны лишь большим телескопам. Из-за огромных расстояний свечение звезд в них сливается в туманное сияние. Лишь в ближайших галактиках с помощью крупнейших телескопов видны яркие звезды по отдельности.