Черные дыры и вселенная - Игорь Новиков

Итак, примерно через 1032 лет ядерное вещество полностью распадется. Из мира исчезнут даже погасшие звезды. Но распад ядерного вещества уже задолго до этого срока начнет играть важную роль в эволюции Вселенной. Позитроны, возникающие при распаде нуклонов (это общее название протонов и нейтронов), аннигилируют с электронами, превращаясь в фотоны, которые вместе с фотонами, прямо возникающими при распаде нуклона, нагревают вещество. Только нейтрино свободно покидают звезду и уносят около 30 процентов всей энергии распада.

Процесс распада будет поддерживать температуру умерших звезд и планет на уровне хоть и низком, но все же заметно отличном от абсолютного нуля. Так, белые карлики, остыв за 1017 лет до температуры 5 кельвинов, будут потом сохранять эту температуру из-за выделения энергии при распаде вещества внутри их. Нейтронные звезды остывают за 1019 лет до температуры около 100 кельвинов, после чего распад вещества в них будет поддерживать эту температуру.

Спустя 1032 лет все ядерное вещество полностью распадется, звезды и планеты превратятся в фотоны и нейтрино.

Несколько иная судьба у рассеянного в пространстве газа, который останется после разрушения галактик (по массе он может составить около одного процента всего вещества Вселенной). Ядерное вещество этого газа тоже, разумеется, распадется через 1032 лет. Однако в этом случае позитроны, возникающие при распаде, уже не будут аннигилировать с электронами — из-за крайней разреженности газа вероятность встречи этих частиц чрезвычайно мала, и в результате образуется разреженная электронно-позитронная плазма.

К этому времени, то есть через 1032 лет, во Вселенной останутся еще черные дыры, возникшие из массивных звезд после их угасания, и сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в центрах галактик (об их судьбе мы скажем немного позже).

Что же будет происходить во Вселенной после распада ядерного вещества?

В ту далекую эпоху во Вселенной будут присутствовать фотоны, нейтрино, электронно-позитронная плазма и черные дыры. Основная часть массы окажется сосредоточенной в фотонах и нейтрино. Ибо именно в эти виды материи превратится обычное вещество после распада. Начнется эра излучения. Правда, надо помнить, что это излучение, чрезвычайно сильно остывшее.

С расширением Вселенной плотность массы излучения быстро будет падать, так как уменьшается и плотность числа частиц, и энергия каждого кванта (а значит, и его масса). В отличие от излучения средняя плотность обычной материи в виде электронно-позитронной плазмы и черных дыр убывает только из-за уменьшения их концентрации при расширении Вселенной. Значит, плотность этих видов материи убывает медленнее, чем плотность излучения. Поэтому ко времени 1033 лет плотность материи уже будет определяться главным образом массой, заключенной в черных дырах. Ее будет гораздо больше, чем в электронно-позитронной плазме. Если масса покоя нейтрино не ноль, как мы это разбирали выше, то значительная доля массы останется также в нейтрино. На смену эре излучения придет эра черных дыр!

Но и черные дыры не вечны. В поле тяготения вблизи черной дыры происходит, как мы знаем, рождение частиц; причем у черных дыр с массой порядка звездной и больше возникают кванты излучения. Такой процесс ведет к уменьшению массы черной дыры, она постепенно превращается в фотоны, нейтрино, гравитоны. Но процесс этот чрезвычайно медленный. Скажем, черная дыра с массой в 10 масс Солнца испарится за 1069 лет, а сверхмассивная черная дыра, масса которой еще в миллиард раз больше, — за 1096 лет. И все же постепенно все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе во Вселенной, снова наступит эра излучения. Однако это излучение несравненно более холодное, чем излучение в эпоху распада вещества. Вследствие расширения Вселенной плотность излучения, как уже говорилось, падает быстрее плотности электронно-позитронной плазмы, и через 10100 лет станет доминирующей именно эта плазма и, кроме нее, во Вселенной не останется практически ничего.

На первый взгляд картина эволюции Вселенной в отдаленном будущем выглядит весьма пессимистически из-за постепенного распада, деградации, рассеяния.

К возрасту Вселенной 10100 лет в мире останутся практически только электроны и позитроны, рассеянные в пространстве с ужасающе ничтожной плотностью: одна частица будет приходиться на объем, равный 10185 объемам всей видимой сегодня Вселенной. Означает ли это, что в будущем замрут все процессы, не будет происходить активных движений физических форм материи, невозможно будет существование каких-либо сложных систем, а тем более разума в какой бы то ни было форме?

Нет, такой вывод был бы неверен. Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедленны, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была примерно 1027 кельвинов, происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10–34 секунды, а пространственные масштабы были порядка 10–24 сантиметра. С точки зрения подобных масштабов и сверхбыстрых процессов сегодняшние события во Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно медленное и чрезвычайно растянутое в пространстве. По мнению известного американского физика Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны будут сложные формы движения материи и даже разумная жизнь, правда, в непривычных формах, и «пульс жизни будет биться все медленнее, но никогда не остановится».

И звезды умирают во Вселенной…Огромна ночь.И только черный ветерКатает небо с легкой белой птицей…Она взлетела с маленьких ладоней,Когда ребенок осознал себя,И этот мир, и звезды, и столетья…Рождение и смерть всего на свете.Конечность жизни.Бесконечность неба.Несчетны стаи птиц,Что кружат во Вселенной, —Частицы света в беспредельной бездне.Огромна ночь.Пока ребенок спит.Рождаются галактики и люди,И звезды умирают в страшных муках.Пока ребенок спит,Облитый светом,Последним светом умершей звезды.

Что остается после человека? —Большая птицаС детскими глазами,Частица света в ледяном пространстве.

М. Катыс

Наша пытливая мысль залетела в невообразимо далекое будущее. В таких длительных полетах всегда можно столкнуться с чем-то непредусмотренным. Пока у нас речь шла о процессах, которые вытекают из надежно установленных физических законов, однако в будущем возникнут физические условия, недоступные нам в эксперименте (сверхнизкие температуры, малые плотности и т. д.), и вполне возможно проявление сил, возникновение процессов, совершенно нам пока неизвестных. А эти силы и процессы могут в корне изменить ситуацию.

Вот один из таких возможных процессов — распад вакуума, его превращение в расширяющейся Вселенной в реальное вещество. В прошлом, в упоминавшуюся уже эпоху 10–34 секунды после начала расширения, вакуум — «ложный вакуум», как мы его называли, — вероятно, уже распался, порождая частицы и античастицы больших энергий. Эта энергия соответствовала температуре 1027 кельвинов, а плотность вещества составляла 1074 г/см3.

В современном вакууме (в том, что в просторечии называется пустотой), тоже, возможно, заключена некоторая плотность энергии. Но, как мы видели в разделе «Гравитация пустоты», она если и есть, то очень мала и соответствует плотности массы не более чем 10–28 г/см3, а может быть, даже существенно меньше. Обнаружить такую плотность даже в астрономических наблюдениях крайне трудно. Теория полагает возможным, что плотность массы вакуума в далеком будущем скачком перейдет в реальные частицы и античастицы, давая начало новым физическим процессам. Родившееся при этом вещество будет, конечно, разреженным, но все же несравненно более плотным, чем оставшееся к тому времени рассеянное вследствие расширения Вселенной «наше» вещество. Подобный «фазовый переход» вакуума может быть чрезвычайно существенным для судеб Вселенной. Так, в принципе этот переход может остановить расширение Вселенной и сменить его сжатием. Вновь возникший при этом «сверхистинный вакуум» будет обладать гравитационными свойствами притяжения, а не отталкивания, как «ложный вакуум». Ясно, что если расширение Вселенной сменится сжатием, то при этом вся нарисованная нами картина будущего Вселенной изменится в корне.

И еще одно замечание. Рисуя будущее Вселенной, мы предполагали, что нейтрино всех сортов не обладают массой покоя, то есть представляют собой излучение. Предполагалось также, что эти частицы подобно фотонам имеют массу только потому, что всегда движутся со световой скоростью, а их масса покоя равна нулю. Но, как мы видели в главе «Нейтринная Вселенная», возможно, масса покоя нейтрино не равна нулю.