Разрушение экстремальных черных дыр

Считается, что в центре большинства галактик, если не всех, располагаются сверхмассивные черные дыры. По ходу астрономических обзоров один рекордсмен сменял другого и масса чемпионов приближалась к 100 млрд масс Солнца. Черная дыра такой массы имеет настолько большой горизонт событий, что он протянулся бы от Солнца за орбиту Нептуна, чуть ли не до облака Оорта. Даже если вы плохо представляете себе, кто такой Оорт и что у него за далекое облако, имейте просто в виду, что солнечному свету требуется более 100 часов, чтобы добраться туда, так что речь идет о черной дыре монструозных размеров. Но, как я сейчас объясню, громадные размеры таких черных дыр дают неверное представление об их мирном нраве.

Исходя из общей теории относительности, рецепт строительства черной дыры чертовски прост: нужно собрать сколько угодно массы и сформировать из нее шар достаточно маленького размера 11. Конечно, даже поверхностное знакомство с черными дырами заставит вас ожидать, что «достаточно маленький» здесь означает по-настоящему маленький, очень-очень маленький, маленький до нелепости. И в некоторых случаях это верно. Чтобы превратить грейпфрут в черную дыру, вам пришлось бы сжать его до 10-25см в поперечнике; чтобы превратить в черную дыру Землю, вам пришлось бы сжать ее примерно до 2 см в поперечнике; для Солнца этот размер составит примерно 6 км в поперечнике. Каждый из этих примеров требует фантастически сильного сжатия вещества, что вносит свой вклад в широко распространенное мнение о том, что для формирования черной дыры нужны потрясающие плотности. Но если бы вы продолжили для составления каталога брать примеры, намного превосходящие массой Солнце, и сосредоточились бы на формировании все более крупных черных дыр, вы заметили бы закономерность, которая, возможно, удивила бы вас.

По мере возрастания количества вещества, используемого для создания черных дыр, требуемая плотность, до которой это вещество необходимо сжать, снижается. Если вы позволите употребить пару математических аргументов, это сразу же станет очевидно: поскольку радиус горизонта событий черной дыры пропорционален ее массе, объем черной дыры пропорционален кубу массы, так что ее средняя плотность — отношение массы к объему — падает пропорционально квадрату массы. Увеличьте массу вдвое, и плотность упадет вчетверо; увеличьте массу в тысячу раз, и плотность упадет в миллион раз. Но оставим математику в стороне, качественный смысл в том, что при формировании черной дыры чем больше масса, тем меньше эту массу необходимо сжимать. Чтобы создать такую черную дыру, как та, что находится в центре Млечного Пути (ее масса примерно в 4 млн раз больше массы Солнца), вам потребуется вещество, плотность которого примерно в 100 раз превосходит плотность свинца, так что сдавливать все-таки придется довольно серьезно. При образования черной дыры массой в 100 млн солнечных необходимая плотность падает практически до плотности воды. А для черной дыры массой в 4 млрд солнечных достаточно плотности вещества, сравнимой с плотностью воздуха, которым вы сейчас дышите. Соберите в одном месте воздух в количестве 4 млрд масс Солнца, и, в отличие от случая с грейпфрутом, Землей или Солнцем, для создания черной дыры вам вообще не потребуется сжимать воздух. Гравитация, действующая на этот воздух, образует черную дыру самостоятельно.

Я не утверждаю, что воздушные шарики — это реалистичное сырье для создания сверхмассивных черных дыр, но тот факт, что черная дыра, весящая в 4 млрд раз больше Солнца, имела бы среднюю плотность, равную плотности воздуха, замечателен сам по себе и отлично иллюстрирует то, как свойства черных дыр могут отличаться от популярных представлений о них12. Если оценивать по массе и размеру, такие черные дыры — настоящие гиганты, но, если судить по средней плотности, они мягкие и нежные, что делает их нежными гигантами. В этом смысле более крупные черные дыры менее экстремальны, чем более мелкие, и это позволяет нам интуитивно понять открытие Хокинга, согласно которому чем массивнее черная дыра, тем ниже ее температура и тем ниже ее свечение.

Таким образом, продолжительность жизни крупной черной дыры выигрывает от двух связанных между собой факторов: у нее больше масса, которую можно излучать, и, поскольку ее температура ниже, излучает она эту массу медленнее. Подставляя числа в уравнения, находим, что черная дыра с массой примерно в 100 млрд раз больше массы Солнца будет съеживаться настолько не спеша, что последнее свое излучение она испустит, только когда мы доберемся до верхнего, 102-го этажа Эмпайр-стейт-билдинг, и только тогда она по-настоящему станет черной 13.

Конец времени

Вглядываясь во Вселенную со 102-го этажа, мы мало что увидим, кроме рассеянного тумана частиц, носящихся по пространству. Иногда притяжение между электроном и его античастицей, позитроном, стягивает их по сходящейся спиральной траектории все ближе и ближе друг к другу, пока они не аннигилируют в крохотной вспышке — точке света, пронзающей на мгновение тьму. Если темная энергия иссякла и стремительное расширение пространства ослабло, очень возможно, что частицы могут аккумулироваться во все более крупные черные дыры, которые будут излучать все медленнее, получая все более долгую жизнь. Но если темная энергия никуда не делась, ускоренное расширение будет разгонять частицы в разные стороны все быстрее и быстрее, гарантируя, что они почти никогда — а может, и совсем никогда — не будут встречаться между собой. Интересно, что условия при этом станут напоминать условия вскоре после Большого взрыва, когда пространство тоже было населено отдельными частицами.

Разница в том, что в ранней Вселенной частицы располагались настолько плотно, что гравитация с легкостью собирала их в структуры, такие как звезды и планеты, тогда как в поздней Вселенной частицы настолько рассеяны, а ускоряющееся расширение пространства настолько неумолимо, что собирание в сгустки будет чрезвычайно маловероятно. Это «прах к праху» в космической версии: молодая пыль, настроенная танцевать энтропийный тустеп, сплачивается гравитацией в упорядоченные астрономические структуры, тогда как поздняя пыль, рассеянная тонким слоем, спокойно дрейфует сквозь пустоту.

Физики иногда сравнивают эту будущую эпоху с концом времени. Не то чтобы время остановится. Но когда всякое действие сводится всего лишь к движению отдельной частицы из этой точки на огромных просторах пространства в ту, разумно заключить, что Вселенная в конечном итоге ушла в небытие. И все же в этой главе мы готовы рассматривать еще более продолжительные промежутки времени, что переводит в разряд возможных события настолько невероятные, что в любом другом случае их можно было бы просто игнорировать. Эти настолько редкие события, что трудно даже вообразить себе их реальность, но они могут иногда прерывать небытие с далеко идущими последствиями.

Распад пустоты

На пресс-конференции 4 июля 2012 г., проводившейся в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований), его представитель Джо Инкандела объявил об открытии частицы Хиггса, которую физики давно искали. Я смотрел прямую трансляцию этой пресс-конференции в Центре физики в Аспене в комнате, куда набилось множество коллег. Было около двух часов ночи. После заявления комната взорвалась одобрительными криками. Камера сфокусировалась на Питере Хиггсе, который снял очки и протирал глаза. Хиггс предположил существование частицы, получившей его имя, почти за полвека до этого; он успешно преодолел сопротивление, которое нередко встречают незнакомые идеи, и целую жизнь ждал возможности убедиться, что был прав.