Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Даже относительно горячая черная дыра живет долго. Черная дыра с температурой Солнца проживет 1032 лет. На протяжении большей части этого времени испаряющаяся черная дыра испускает, главным образом, безмассовые частицы типа нейтрино и фотонов. Из черной дыры также появляется небольшая примесь гравитонов — безмассовых частиц, переносчиков гравитационной силы. По мере того как масса черной дыры постепенно утекает в пространство, увеличивается как ее температура, так и скорость ее испарения. С приближением конца черная дыра становится ослепительно яркой, а окончательное исчезновение этого объекта происходит во вспышке. В последнюю секунду своей жизни черная дыра преобразует в лучистую энергию почти миллион килограммов вещества. Угасая, черная дыра производит не только безмассовые частицы. Из горизонта событий появляются и более тяжелые частицы, включая электроны, позитроны, протоны и антипротоны. В самые последние мгновения образуется также множество экзотических частиц, включая, возможно, слабо взаимодействующие массивные частицы, населяющие современные гало галактик.

Взрывной выброс, который черная дыра дает в последнюю секунду своего существования, в миллиард раз мощнее бомбы, которая была сброшена на Хиросиму. Результирующий взрыв создает такое количество энергии, главным образом, в виде гамма-лучей, которое можно наблюдать с расстояния во много световых лет. Астрономы «обшарили» все небо в поисках подобных всплесков гамма-излучения и пока что не обнаружили никаких свидетельств взрывов черных дыр. Таким образом, в настоящее время мы питаем относительную уверенность в том, что сегодня существует очень мало маленьких черных дыр (если и существует вообще). Вселенной придется терпеливо прождать шестьдесят семь космологических декад, прежде чем звездные черные дыры начнут тратить свою массу и, в конечном итоге, породят первые взрывы черных дыр.

Большинство чрезвычайно тяжелых частиц, которые рождаются во время гибели черной дыры, также имеют чрезвычайно короткое время жизни: им отпущено гораздо меньше секунды. Эти массивные частицы исчезают почти сразу после своего рождения. Электроны и позитроны, образующиеся во взрыве, живут гораздо дольше. Более того, образование во время гибели черной дыры протонов и антипротонов приведет к локализованному возрождению физических процессов, связанных с обычным барионным веществом. Поскольку протоны и антипротоны образуются почти в равных количествах, кончина черной дыры отмечена послесвечением гамма-лучей, образующихся в результате аннигиляции вещества и антивещества. Через некоторое время, когда стихнет «треск» гамма-лучей и рассеются прочие «отходы», странные случайные совокупности протонов и электронов, быть может, приведут к простым химическим реакциям, в результате которых, возможно, образуются редкие крупинки молекулярного водородного льда. Этим крошечным реликтам высокоэнергетических дней эпохи распада суждено распасться посредством тех же механизмов, из-за которых во Вселенной чуть раньше возник дефицит протонов. В шестьдесят седьмую космологическую декаду время жизни протона — несущественное мгновение вселенских логарифмических часов. Эти периодические моменты возрождения протонной физики — всего лишь мимолетные и преходящие события, которые вечно увеличивающиеся временные эпохи лишают всякого значения.

Если за время своей жизни черная дыра приобретает суммарный электрический заряд, она может избежать столь оскорбительного полного испарения. Закон о сохранении заряда запрещает превращение всей массы электрически заряженной черной дыры в излучение. Когда черная дыра становится настолько мала, что ее массу-энергию можно сравнить с электростатической энергией, получаемой от ее заряда, испарение Хокинга прекращается раньше положенного времени. Экстремальные черные дыры, которые образуются в результате этого, явно не имеют способа избавиться от оставшейся у них массы. Эти странные карлики вполне могут жить вечно.

Теперь представьте себе, что вы появились в случайной точке Вселенной в шестьдесят седьмую космологическую декаду, когда звездные черные дыры постепенно приближаются к своей гибели. Если пространство имеет плоскую геометрию, типичное расстояние между отдельными черными дырами невероятно велико — около 1043 световых лет, что в 1033 раза больше размера Вселенной в наше время. Несмотря на то, что энергия, образующаяся в процессе испарения черных дыр, обычно невелика по земным меркам, это излучение служит главной движущей силой в нищую эпоху черных дыр. Темные, тусклые и практически невыразительные пустоты перемежаются редкими вспышками, относящимися к диапазону в миллиарды килотонн. Эти мимолетные, но мощные всплески разделены почти непостижимо огромными промежутками пространства, времени и безмолвия.

Вечны ли черные дыры?

Когда испаряются все черные дыры. Вселенная лишается одного из наиболее интересных сценариев развития. Гибель во вспышке последней черной дыры становится действительно переломным событием. На несколько часов крошечный уголок космоса заливает яркий свет. Если бы там присутствовали глаза вроде наших, тогда они в последний раз действительно могли бы видеть. Когда со скоростью света уносятся последние высокоэнергетические частицы, образовавшиеся во взрыве, над Вселенной смыкается воистину вечная тьма.

После исчезновения всех черных дыр остается очень мало «ископаемых», напоминающих о наполненном энергией начале времен. По завершении эпохи черных дыр уже никогда больше не будет возврата в прежние эпохи высоких энергий. Во Вселенной не остается ничего, что сыграло бы роль сверхновых, освещающих эпоху звезд и возвращающих Вселенную в условия высоких энергий, господствовавших в предшествующую ей первичную эпоху. Во Вселенной не будет ничего похожего на столкновения коричневых карликов, которые оживляют эпоху распада, на краткое мгновение воскрешая великолепие эпохи звезд. Во Вселенной более не будет излияний протонов из умирающих черных дыр, на короткий миг возрождающих в эпоху черных дыр условия предыдущих эпох.

Но все ли черные дыры действительно испарятся? Самые крупные черные дыры, существующие сегодня, содержат несколько миллиардов солнечных масс. Если ничто их не потревожит, эти черные дыры исчезнут к сотой космологической декаде, таким образом, на нашей мировой линии времени сотой космологической декадой отмечен конец эпохи черных дыр. Однако остается возможность того, что черные дыры просуществуют много дольше сотой космологической декады. Если черные дыры продолжат сливаться и набирать вес быстрее, чем они будут испаряться, испуская излучение Хокинга, эпоха черных дыр может растянуться до бесконечности.

Чтобы узнать, придет ли конец эпохе черных дыр, важно найти ответ на вопрос, является ли Вселенная открытой или плоской. В плоской Вселенной черные дыры могут оказаться вечными. Несмотря на то. что плоская Вселенная обречена на вечное расширение, с течением времени это расширение продолжает замедляться. В отсутствие быстрого расширения содержимое обширных областей Вселенной вступает в гравитационную связь и взаимодействует. В отдаленном будущем плоской Вселенной сверхскопления мертвых галактик притягивают другие сверхскопления, образуя еще большие конгломераты черных дыр. В пределах этих гигантских гравитационно связанных скоплений отдельные силы, действующие между триллионами черных дыр, составляющих всю совокупность, заставляют тяжелые черные дыры падать к центру и сливаться друг с другом. Более мелкие дыры выбрасываются из скопления с огромной скоростью. Эти процессы структурообразования (образования еще более крупных конгломератов черных дыр) и релаксации (тенденции тяжелых тел падать к центру конгломерата) вполне могут продолжаться бесконечно долго. В итоге черные дыры могут сливаться друг с другом и увеличиваться быстрее, чем они разрушаются в процессе испарения Хокинга.

С другой стороны, в открытой Вселенной для роста черных дыр существуют куда более серьезные препятствия. В данном случае Вселенной также суждено расширяться вечно, но теперь это расширение происходит гораздо быстрее. В такой быстро расширяющейся Вселенной, где составляющие скопление черные дыры с большими скоростями разлетаются в стороны, им куда сложнее слиться и стать крупнее. И хотя большие черные дыры, расположенные в центрах галактик, могут увеличить свою массу в сотни и даже тысячи раз, их дальнейшему росту препятствует быстрое расширение Вселенной. В случае открытой Вселенной эпоха черных дыр должна, в конечном итоге, завершиться, и наши современные научные знания свидетельствует о том, что переход в новую эпоху произойдет где-то около сотой космологической декады, когда испарятся черные дыры с галактическими или сверхгалактическими массами. После этого те крохи, что остались от Вселенной, перейдут в следующую эпоху.