Есть несколько способов создать черную дыру, от коллапса ядра сверхновой до слияния нейтронных звезд с коллапсом огромного количества вещества. Если брать нижний предел, черные дыры могут иметь 2,5 — 3 массы Солнца, но на верхнем пределе сверхмассивные черные дыры могут превышать массу в 10 миллиардов солнечных. Они, как правило, находятся в центрах галактик. Насколько они стабильны? Какая черная дыра иссякнет первой: большая и прожорливая или маленькая?
Существует ли критический размер для стабильности черной дыры? Черная дыра массой 1012 килограммов может быть стабильной несколько миллиардов лет. Но черная дыра в диапазоне массы 105 может взорваться за секунду и точно не будет стабильной. Где проходит золотая середина, при которой приток материи будет равен излучению Хокинга?
Стабильность черных дыр
Первое, с чего нужно начать, это стабильность самой черной дыры. У любого другого объекта во Вселенной, астрофизического или иного, существуют силы, удерживающие его вместе против Вселенной, которая пытается его разорвать. Атом водорода представляет собой крепкую структуру; единственный ультрафиолетовый фотон может уничтожить ее, ионизировав электрон. Для разрушения атомного ядра нужна более высокоэнергетическая частица вроде космического луча, ускоренного протона или гамма-лучевого фотона.
Но у больших структур вроде планет, звезд или даже галактик, гравитационные силы, удерживающие их, огромны. Как правило, для разрыва такой мегаструктуры нужна либо термоядерная реакция, либо невероятно сильное воздействие гравитации извне — например, от проходящей мимо звезды, черной дыры или галактики.
В случае с черными дырами, впрочем, все не так. Масса черной дыры, вместо того, чтобы распределяться по объему, сжимается в сингулярность. У невращающейся черной дыры это одна точка с нулевой размерностью. У вращающейся черной дыры ненамного лучше: бесконечно тонкое, одномерное кольцо.
Кроме того, все содержимое из массы-энергии в черной дыре находится в пределах горизонта событий. Черные дыры — это единственные объекты во Вселенной, у которых есть горизонт событий: граница, преодолев которую, невозможно вернуться. Никакое ускорение, а значит никакая сила не сможет вытащить материю, массу или энергию из горизонта событий за его пределы.
Это может означать, что черные дыры, сформировавшись любым способом из возможных, могут только расти и никогда не будут уничтожены. И они растут, неумолимо и безостановочно. Мы наблюдаем всевозможные явления во Вселенной, такие как:
- квазары;
- блазары;
- активные ядра галактик;
- микроквазары;
- звезды, не испускающие никакого света;
- рентгеновские и радиовсплески из галактических центров;
которые приводят нас к черным дырам. Определяя их массы, мы пытаемся узнать и физические размеры их горизонтов событий. Все, что сталкивается с ним, пересекает его или даже задевает, неизбежно упадет внутрь. И затем, благодаря сохранению энергии, увеличится и масса черной дыры.
Этот процесс происходит с каждой черной дырой, известной нам. Материал из других звезд, космическая пыль, межзвездное вещество, газовые облака, даже излучение и нейтрино, оставшиеся от Большого Взрыва — все отправляется туда. Любая материя, сталкиваясь с черной дырой, увеличивает ее массу. Рост черных дыр зависит от плотности вещества и энергии, окружающих черную дыру; монстр в центре нашего Млечного Пути растет на скорости 1 солнечная масса в 3000 лет; черная дыра в центре галактики Сомбреро растет на скорости 1 солнечная масса в 20 лет.
Чем больше и тяжелее ваша черная дыра, в среднем, тем быстрее она растет, в зависимости от встречаемого материала. Со временем темпы ее роста замедляются, но поскольку Вселенной всего около 13,8 миллиарда лет, черные дыры прекрасно растут.
С другой стороны, черные дыры не просто растут со временем; есть также процесс их испарения: излучение Хокинга. Связано это с тем, что пространство сильно искривлено вблизи горизонта событий, но распрямляется при удалении. Если находиться на большом расстоянии, можно увидеть незначительное излучение, испускаемое из искривленной области рядом с горизонтом событий, связанной с тем, что квантовый вакуум имеет разные свойства в разных криволинейных областях пространства.
Конечным результатом является то, что черные дыры испускают тепловое излучение черного тела (в основном в виде фотонов) во всех направлениях вокруг себя, в объеме пространства, которое в основном заключает около десяти радиусов Шварцшильда в месте расположения черной дыры. И может показаться странным, но чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется.
Излучение Хокинга — невероятно медленный процесс, при котором черная дыра с массой нашего Солнца испарится через 1064 лет; дыра в центре нашего Млечного Пути — через 1087 лет, а самые массивные во Вселенной — через 10100 лет. Чтобы рассчитать время испарения черной дыры простой формулой, нужно взять временные рамки нашего Солнца и умножить на (масса черной дыры/масса Солнца)3.
Из чего следует, что черная дыра с массой Земли будет жить 1047 лет; черная дыра с массой Великой пирамиды в Гизе (6 миллионов тонн) — около тысячи лет; с массой Эмпайр-Стейт-Билдинг — около месяца; с массой обычного человека — пикосекунду. Чем меньше масса, тем быстрее испаряется черная дыра.
Насколько нам известно, Вселенная могла содержать черные дыры невообразимо разных размеров. Если бы она была наполнена легкими черными дырами — до миллиарда тонн — все они бы испарились к сегодняшнему дню Нет никаких данных о том, что существуют черные дыры с массой между этими легкими и теми, что рождаются в процессе слияния нейтронных звезд — в теории, они имеют массу в 2,5 солнечных. Выше этих пределов рентгеновские исследования указывают на существование черных дыр в диапазоне 10-20 солнечных масс; LIGO показала черную дыру от 8 до 62 солнечных масс; также находят сверхмассивные черные дыры повсюду во Вселенной.
Сегодня все существующие черные дыры набирают материю быстрее, чем теряют вследствие излучения Хокинга. Черная дыра солнечной массы теряет около 10-28 Дж энергии каждую секунду. Но если учесть, что:
- даже у одного фотона реликтового излучения в миллион раз больше энергии;
- 411 таких фотонов на кубический сантиметр пространства осталось после Большого Взрыва;
- они движутся со скоростью света, сталкиваясь 10 триллионов раз в секунду в каждом кубическом сантиметре;
даже изолированная черная дыра в глубинах межгалактического пространства будет ждать, пока Вселенная не повзрослеет до 1020 лет — в миллиард раз больше ее текущего возраста — прежде чем скорость роста черной дыры упадет ниже темпа излучения Хокинга.
Но давайте сыграем в игру. Предположим, вы живете в межгалактическом пространстве, вдали от обычной материи и темной материи, вдали от всех космических лучей, звездного излучения и нейтрино, и у вас остались только фотоны от Большого Взрыва, с которым можно поболтать. Насколько большой должна быть ваша черная дыра, чтобы скорость испарения (излучение Хокинга) и поглощения фотонов вашей черной дырой (рост) уравновесили друг друга?
Ответ получается в районе 1023 кг, то есть примерно с массу планеты Меркурий. Если бы Меркурий был черной дырой, он был бы полмиллиметра в диаметре и излучал бы примерно в 100 триллионов раз быстрее, чем черная дыра солнечной массы. Именно с такой массой в нашей Вселенной черная дыра поглощала бы столько же микроволнового излучения, сколько теряла в процессе излучения Хокинга.
Но если вам нужна реалистичная черная дыра, вы не сможете изолировать ее от оставшейся материи во Вселенной. Черные дыры, даже будучи выброшенными из галактик, все еще пролетают через межгалактическую среду, сталкиваясь с космическими лучами, светом звезд, нейтрино, темной материей и всевозможными частицами, массивными и безмассовыми. Космический микроволновый фон невозможно избежать, куда бы вы ни пошли. Черные дыры постоянно поглощают материю и энергию и растут в массе и размерах. Да, они также излучают энергию, но чтобы все существующие в нашей Вселенной черные дыры начали истощаться быстрее, чем растут, должно пройти около 100 квинтиллионов лет.
А на окончательное испарение уйдет еще больше.
