Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Радиус Шварцшильда для черной дыры, масса которой равна массе Солнца, составляет всего несколько километров. Невероятную плотность такого тела можно в какой-то степени постигнуть, если представить, что Солнце сжали до размеров небольшого студенческого городка. Радиус Шварцшильда увеличивается строго пропорционально массе черной дыры. Например, черная дыра, масса которой равна миллиону солнечных, имеет радиус в три миллиона километров, что примерно в четыре раза больше современного Солнца. Если бы Землю сжали до такого состояния, что она превратилась бы в черную дыру, такая дыра имела бы размер небольшого шарика. Представьте, что Сирз-тауэр, гора Эверест, огромное железное ядро Земли и все прочее, что известно человечеству, втискивается в сферу, которая без труда умещается в вашей ладони! Сколь бы удивительным это ни казалось, но такой странный объект действительно может существовать.

Сферическая поверхность, отмеченная радиусом Шварцшильда, окружает часть пространственно-временного континуума, настолько искаженную, что от нее не может оторваться ни одна частица. Поскольку эту локальную область не может покинуть никакая информация, она фактически отделена от остальной Вселенной. Таким образом, радиус Шварцшильда можно считать величиной, определяющей гипотетическую поверхность, служащую границей между этой внутренней областью, которую не может покинуть никакая информация, и всей остальной Вселенной.

Таким образом, черные дыры несколько напоминают банковский сейф. Информация, заключенная в пределах горизонта событий, скрыта от остальной Вселенной. Однако у банковского сейфа есть ключ, и его владелец может достать информацию или наличные, которые в нем хранятся. Ключа от черной дыры нет ни у кого. Информация заперта навечно… ну, или почти навечно.

Типы черных дыр

С одной стороны, черные дыры можно отнести к нескольким разным типам. С другой же, все они, в сущности, одинаковы. Столь различные точки зрения определяются историческими соображениями.

Рассматривая их прошлые истории — процессы, в результате которых образуются черные дыры, — мы узнаем, что черные дыры создаются несколькими различными механизмами, причем каждый из этих механизмов образует черные дыры в конкретном диапазоне масс. Черные дыры с массами звезд образуют массивные погибающие звезды, тогда как самые большие черные дыры создаются галактиками. Много меньшие черные дыры могут получиться в результате экзотических процессов, длившихся крошечные промежутки времени сразу после Большого взрыва. Когда, наконец, наступает эпоха черных дыр, главную роль начинают играть, по меньшей мере, две разновидности этих призрачных объектов.

Вне зависимости от механизма образования, как только появилась какая-то конкретная черная дыра, ее характеристики полностью описываются всего тремя величинами: массой, электрическим зарядом и скоростью вращения. Вся история черной дыры заключена в этих трех определяющих характеристиках. Поскольку их прошлое фактически поглощается, черные дыры являются очень однородными объектами, лишенными неподатливых индивидуальных сложностей. Эту предельную простоту часто выражают в утверждении, что «черная дыра не имеет волос».

Черная дыра самого распространенного типа образуется в ходе звездной эволюции. Когда достаточно массивные звезды завершают свой жизненный цикл во вспышке сверхновой, от них иногда остаются звездные остатки, имеющие слишком высокую массу, чтобы существовать за счет давления вырожденного газа. Эти плотные остатки гравитационно нестабильны и быстро коллапсируют, превращаясь в черную дыру. Эти звездные черные дыры имеют массы, сравнимые с массами обычных звезд, хотя их размер приблизительно в сто тысяч раз меньше.

Например, относительно близкий к нам кандидат в черные дыры — Лебедь Х-1 — имеет массу, примерно в десять раз превышающую массу Солнца, и радиус где-то в тридцать километров.

Такие звездные черные дыры кажутся неважными по сравнению со сверхмассивной черной дырой, расположенной в центре Галактики. Черные дыры, относящиеся к категории сверхмассивных, могут содержать миллиарды солнечных масс и иметь радиус Шварцшильда, превышающий размер орбиты, по которой Юпитер движется вокруг Солнца. Сейчас астрономы полагают, что в центре практически каждой галактики имеется гигантская черная дыра. В центре нашей собственной Галактики, по-видимому, обитает достаточно скромный для категории сверхмассивных черных дыр образчик; судя по последним измерениям, эта дыра весит столько же, сколько и три миллиона Солнц.

Несмотря на то, что происхождение сверхмассивных черных дыр в центрах галактик еще до конца не изучено, они появились, когда первичные газовые облака коллапсировали, образуя галактики. Когда начинается коллапс галактики, в центре рождающейся галактики собирается столько вещества, новорожденных звезд и газа, что просто вынуждена образоваться черная дыра. Когда рождается черная дыра, переполненные окрестности ядра молодой галактики естественным образом заставляют дыру поглощать все больше и больше вещества, которое подходит слишком близко, вследствие чего черная дыра постоянно увеличивается. Квазары, чрезвычайно ярко светящиеся ядра далеких и древних галактик, «питаются» от сверхмассивных черных дыр, собирающих пыль, газ и остатки погибших звезд в вихреподобный аккреционный диск. По мере того как газ по узкому каналу движется в центральную черную дыру, из-за возникающего трения аккреционный диск нагревается и получающаяся энергия поддерживает яркое свечение квазара.

Наша третья категория, первичные черные дыры, имеет более спекулятивную основу, чем две первые. Если первичные черные дыры существуют, они должны были возникнуть вскоре после Большого взрыва. Они также, скорее всего, имеют очень маленький размер; они гораздо менее массивны, чем звезды. Подобно тому как в кимберлитовой трубке образуется алмаз, крошечная первичная черная дыра является следом, оставшимся от чудовищных давлений и температур — условий, которые властвовали в самые первые мгновения истории космоса.

Несмотря на свою репутацию нерушимых, черные дыры не будут существовать вечно. Как мы увидим, энергия, образующаяся при медленном испарении черных дыр, питает Вселенную в эпоху черных дыр. Более крупные и массивные черные дыры живут гораздо дольше маленьких. На самом деле, самые маленькие черные дыры, которые весят менее 1025 граммов и предположительно возникли в первичную эпоху, испаряются еще до начала эпохи черных дыр. Максимальный размер этих так рано гибнущих черных дыр составляет лишь около одной сотой миллиметра, хотя они весят столько же, сколько и довольно большая Луна в нашей Солнечной системе. Более крупные черные дыры с массами, превышающими одну шестисотую долю массы Земли, выживут и проявят себя в эпоху черных дыр.

Необычность черных дыр

Черные дыры — это насмешка над теми представлениями о пространстве и времени, которые диктует нам здравый смысл. В эпоху черных дыр Вселенная становится очень недобрым местом. С наших сегодняшних выгодных позиций в эпоху звезд, черные дыры — не более чем любопытная штука. Они имеют очень малое отношение к нашей земной жизни и не оказывают сколько-нибудь значительного влияния на эволюцию Галактики. Однако в эпоху черных дыр общая теория относительности и черные дыры оказываются верховными правителями: они совершенно необходимы для каждодневного управления Вселенной. Но прежде чем перевести часы за сороковую космологическую декаду, мы должны рассмотреть ряд идей из общей теории относительности. Только тогда мы сможем вкусить пленительную смесь простоты, изящества и явной странности, которая характеризует черные дыры.

Вообразите ракету, которая парит в космическом пространстве в удалении от гравитационного притяжения планет или звезд. Двигатели заглушены, и ракета движется по прямой линии с постоянной скоростью. Внутри этой ракеты невесомый груз. Астронавты находятся в подвешенном состоянии, а апельсиновый напиток превращается в блестящие оранжевые сферы, по мере того как ракета и ее содержимое движутся сквозь космическое пространство. Внезапно кто-то на полную мощность включает двигатели ракеты. Из двигателей малой тяги выбрасывается газ, корпус делает рывок вперед, и напуганные астронавты видят, как пол начинает двигаться к ним навстречу. Апельсиновый напиток расплескивается. По мере дальнейшей работы двигателей ракета ускоряется и ее скорость непрерывно возрастает. Астронавты оказываются прижатыми к полу.

Ускорение ракеты, оснащенной слабыми двигателями, происходит не слишком быстро. Если бы астронавты подпрыгнули к потолку, пол ракеты «догнал» бы их лишь постепенно. Им показалось бы, будто они на Луне, где сила гравитации мала и подпрыгнуть легко. Однако когда двигатели создают большее ускорение, пол ракеты начинает походить на поверхность Земли. То есть если двигатели отрегулированы так, что каждую секунду скорость ракеты увеличивается на 9,8 метров в секунду, то предметы будут падать на пол точно так же, как они падают на поверхность Земли. Что самое важное, если у ракеты нет иллюминаторов, космические путешественники, которые находятся внутри, не имеют возможности узнать, обусловлено ли ощущаемое ими ускорение силой, создаваемой двигателями ракеты или гравитационным притяжением планеты.