Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Вселенная погружена в море излучения, оставшегося от первичной эпохи, начавшейся сразу после Большого взрыва. Это космическое фоновое излучение придает Вселенной фактическую температуру, в настоящее время составляющую около трех градусов Кельвина. Вселенная, имеющая такую температуру, значительно горячее черных дыр, поэтому в настоящее время космической истории тепло переходит от Вселенной к черным дырам. И хотя этот эффект относительно мал, черные дыры, поглощая излучение, действительно наращивают массу. Однако по мере старения Вселенной поля фонового излучения растягиваются до больших длин волн, вследствие чего фактическая температура падает. В некоторый момент времени в будущем, когда Вселенная наконец станет достаточно прохладной, черные дыры отдадут свою энергию и массу окружающей их Вселенной. Время этого перехода зависит от того, насколько быстро расширяется Вселенная — является ли Вселенная открытой или замкнутой — и от массы черных дыр.

В случае плоской Вселенной температура неба становится ниже температуры черной дыры с массой Солнца в двадцать первую космологическую декаду. Для черных дыр, масса которых составляет миллион солнечных, этот переход случится в тридцатую космологическую декаду. Черные дыры, содержащие миллиард солнечных масс, соответственно, начинают испаряться в тридцать пятую космологическую декаду. К началу эпохи черных дыр все, кроме самых больших черных дыр, активно излучают энергию и теряют массу.

В дополнение к космическому фоновому излучению море излучения, пронизывающее Вселенную будущего, образуется также в результате аннигиляции темной материи и распада протонов в белых карликах. Это дополнительное фоновое излучение также отсрочивает испарение черных дыр. Однако, в конце концов, вследствие расширения Вселенной эти поля излучения растягиваются до достаточно низких температур, так что черные дыры начинают излучать энергию быстрее, чем поглощать ее.

Полное время жизни черной дыры зависит от ее начальной массы. Черные дыры большего размера имеют большую массу, которую они могут излучать, более низкие температуры и живут дольше. Черная дыра с массой Солнца испаряется примерно за шестьдесят пять космологических декад (сто тысяч квадрильонов квадрильонов квадрильонов квадрильонов лет) — время настолько долгое, что записывать его таким образом кажется почти смешным. Самые маленькие черные дыры, которые, согласно предположениям ученых, существуют в значительных количествах, имеют массы, в три-пять раз превышающие массу Солнца, и испарятся в шестьдесят седьмую космологическую декаду.

Черные дыры с массой в миллион Солнц, типа черной дыры, живущей в центре нашей Галактики, проживут значительно дольше звездных черных дыр. Однако через восемьдесят три космологические декады исчезнут и они. В ходе этого процесса к девяносто восьмой космологической декаде испаряется даже черная дыра, масса которой сравнима с массой нашей Галактики (сто миллиардов солнечных масс). В результате по истечении сотой космологической декады большинство черных дыр исчезнет и Вселенная будет состоять, главным образом, из излучения, нейтрино, электронов, позитронов и прочих продуктов распада.

Испарение черных дыр в процессе излучения Хокинга служит еще одним примером непрерывной астрофизической борьбы гравитации с термодинамикой. Черные дыры являются естественным следствием сильной гравитации, как описывается в общей теории относительности. Они образуются, когда гравитация одерживает победу над давлением и подавляет все остальные силы. С другой стороны, испарение черных дыр — это классический пример образования энтропии. Излучение, образующееся в ходе этого процесса, имеет большое количество энтропии. Тот факт, что испаряются даже черные дыры, означает, что окончательную победу должна одержать термодинамика, даже в случае с такими исключительными астрофизическими объектами.

Внутри черных дыр

Что же на самом деле содержится внутри черной дыры? Ответить на этот вопрос, который в настоящее время находится в авангарде современных исследований черных дыр, крайне сложно. Тем не менее этот вопрос служит базой для обсуждения многих замечательных возможностей.

Одной из сложностей при рассуждении о внутреннем содержимом черной дыры является существование горизонта событий, который ведет себя подобно однонаправленной мембране. Этот горизонт впускает информацию в черную дыру, но не выпускает ее обратно. Существование такого горизонта, вкупе с законами общей теории относительности, означает, что черные дыры, в каком-то смысле, — очень простые объекты. Как уже говорилось выше, волос у них не имеется.

Но что же на самом деле означает это выражение? С одной стороны, не имеет значения, вещество какого типа используется для образования черной дыры. Как только любое вещество попадает внутрь черной дыры, снаружи можно различить только ее массу, электрический заряд и момент импульса. Протоны ли, ядра железа или частицы экзотической темной материи — все они имеют один эффект, когда используются для образования черной дыры. Свой вклад в свойства черной дыры вносят только их масса, электрический заряд и кинетический момент.

Для большей конкретики рассмотрим обычную звезду и мысленно представим, что она сжимается в черную дыру. У такой звезды будет много «волос» — сложных структур типа магнитных полей, ярких вспышек, поверхностных деформаций и звездных пятен. Теперь предположим, что звезда взорвалась, образовав черную дыру. У этой дыры нет никакой возможности сохранить магнитные поля, вспышки и прочие структуры. Грубо говоря, если бы черная дыра имела способность «держаться» за такие особенности, то между тем, что находится внутри горизонта событий, и тем, что расположено снаружи, существовала бы какая-то связь. Но поскольку подобное сообщение строго запрещено, черная дыра должна отказаться от всех поступающих извне свойств. В реальности черная дыра делает это, излучая всю излишнюю энергию, связанную с этими структурами. В конце концов, остаются только три свойства: масса черной дыры, ее электрический заряд и спин (момент импульса). Все прочие воспоминания, оставшиеся от исходной звезды, должны быть стерты.

Таким образом, все черные дыры с одинаковой массой, электрическим зарядом и моментом импульса абсолютно одинаковы. Из-за этой изящности и простоты и несмотря на всю свою экзотичность, среди всех звездных объектов именно черные дыры имеют наилучшее теоретическое описание. Свойства черной дыры определяются всего тремя числами, и все эти числа включает общая теория относительности. Совсем по-другому дела обстоят с обычными звездами вроде нашего Солнца. Мы располагаем хорошим теоретическим пониманием звезд и можем предсказать время их жизни и общие свойства. Вместе с тем, звезды настолько сложны, что мы никогда не сможем записать уравнения, которые описывали бы каждое их свойство: каждую звездную вспышку, каждое пятно и протуберанцы в короне. Для полного описания звезды понадобится куда больше трех чисел.

Рассмотрим теперь черные дыры будущего. Эти черные дыры могут и будут взаимодействовать с внешней Вселенной, особенно через излучение Хокинга. Испускание излучения любым звездным объектом, включая черную дыру, может ускорить либо замедлить вращение этого объекта. Что именно произойдет — зависит от того, как испускается излучение (какой момент импульса оно уносит). В случае черных дыр испущенное излучение имеет тенденцию скорее к замедлению вращения, нежели к его ускорению. В результате первым исчезает момент импульса черных дыр. Таким образом, черные дыры отдаленного будущего будут иметь только два свойства: массу и электрический заряд. В случае больших черных дыр, образующихся в ходе астрофизических процессов и живущих достаточно долго, чтобы дожить до эпохи черных дыр, их электрический заряд намного меньше массы. Чаще всего черные дыры характеризует всего одно число — их масса. Электрический заряд играет свою роль лишь в заключительные мгновения процесса испарения черной дыры.

«Гипотеза об отсутствии волос» означает, что из всех свойств внутренней части горизонта событий черной дыры мы можем сообщаться только с массой, электрическим зарядом и моментом импульса. Но ведь внутри должно что-то быть! Чтобы говорить о том, что же на самом деле находится внутри черной дыры, мы должны воспользоваться так называемой «чистой теорией». Другими словами, мы используем законы физики (в данном случае, главным образом, общую теорию относительности Эйнштейна), чтобы вычислить, что происходит внутри черной дыры, но мы не располагаем ни одним методом прямой проверки своих умозрительных построений.

Согласно классической общей теории относительности, не учитывающей квантово-механические эффекты, самым поразительным свойством внутренней области черной дыры служит расположенная в ее центре сингулярность пространства-времени. Роджер Пенроуз, известный физик-теоретик и математик, доказал теорему, согласно которой каждая черная дыра должна содержать сингулярность. Этот результат имеет далеко идущие последствия, причем он справедлив для любой черной дыры, независимо от способа ее образования и всех прочих исторических признаков. Сингулярность — это точка, в которой, грубо говоря, на волю вырываются все демоны ада. В месте нахождения сингулярности в черной дыре плотность вещества становится бесконечной. Под бесконечным мы подразумеваем не просто очень большую величину, а величину, которая действительно больше любого числа, которое вы можете себе представить. Ясно, что в сингулярности должно происходить что-то очень интересное.