Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

усилий, чтобы избавиться от этого сбивающего с толку эффекта. Однако он не торопился сдаваться, и в конце концов я был вынужден уступить. В том, что я имею дело с реальным физическим процессом, меня окончательно убедило то обстоятельство, что исходящие частицы имеют чисто тепловой спектр; черная дыра создает и излучает частицы совершенно так же, как если бы она была обычным нагретым телом с температурой, пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Это делало предположение Бекенштейна о конечной энтропии черной дыры вполне состоятельным, означая тепловое равновесие черной дыры при некоторой конечной температуре, отличной от нуля.

Впоследствии некоторые другие ученые, пользовавшиеся разными подходами, также математически подтвердили, что черные дыры могут испускать тепловое излучение. Попробуем понять один из возможных механизмов этого излучения. Квантовая механика говорит о том, что все пространство заполнено пáрами «виртуальных» частиц и античастиц, которые постоянно материализуются в парах, отделяются друг от друга, а затем сливаются вновь и аннигилируют. Эти частицы называются виртуальными, потому что в отличие от «реальных» частиц они не могут быть обнаружены детектором излучения. Тем не менее их косвенное влияние можно измерить. Существование виртуальных частиц было подтверждено небольшим сдвигом (сдвиг Лэмба) в спектре излучения возбужденного атома водорода. А теперь в присутствии черной дыры один член пары виртуальных частиц может упасть на черную дыру, лишая своего партнера возможности аннигилировать. Покинутая частица (или античастица) может последовать за бросившим ее партнером в глубь черной дыры, но она может и отправиться в бесконечный путь в другом направлении, где превратится в излучение от черной дыры.

А теперь о том, как процесс может протекать по-другому. Давайте посмотрим на ту частицу из пары, которая падает на черную дыру (скажем, античастицу), как на реальную частицу, но путешествующую назад во времени. Таким образом, античастицу, падающую на черную дыру, можно рассматривать как частицу, вылетающую из черной дыры, но двигающуюся назад во времени. Когда частица достигает точки, в которой первоначально материализовалась пара частица-античастица, она рассеивается гравитационным полем и начинает двигаться вперед во времени.

Квантовая механика, таким образом, в отличие от классической механики разрешает частице убежать из черной дыры. Кроме того, в атомной и ядерной физике есть много других ситуаций, в которых частицы не могут преодолеть существующий барьер с точки зрения классических принципов, но способны преодолеть его благодаря туннельному эффекту, благодаря квантовомеханическим принципам.

Толщина барьера вокруг черной дыры пропорциональна ее размеру. Это означает, что из большой черной дыры, которая предположительно угнездилась в Лебеде X-1, может вырваться очень мало частиц, но из черных дыр меньших размеров частицы могут истекать очень быстро. Детальные расчеты показывают, что излученные частицы имеют тепловой спектр, соответствующий температуре, которая быстро возрастает с уменьшением массы черной дыры. Температура черной дыры с массой Солнца составляет всего одну стотысячную градуса выше абсолютного нуля. Тепловое излучение, оставляющее черную дыру с такой температурой, будет полностью поглощено общим фоном излучения во Вселенной. С другой стороны, черная дыра с массой всего лишь миллиард тонн (первичная черная дыра размером с протон) имела бы температуру порядка 120 миллиардов градусов Кельвина, что соответствует энергии в несколько десятков миллионов электрон-вольт. При такой температуре черная дыра могла бы рождать электрон-позитронные пары и частицы нулевой массы, такие как фотоны, нейтрино и гравитоны (предположительные носители гравитационной энергии). Мощность такой первичной черной дыры составляла бы 6000 мегаватт – столько энергии вырабатывают шесть больших атомных электростанций.

При излучении частиц масса и размер черной дыры постоянно уменьшаются. Это облегчает побег частиц через туннель, т. е. излучение будет становиться все более интенсивным. Все это будет продолжаться, пока излучение черной дыры не истощит ее окончательно. В конце концов этот сценарий приведет к испарению всех черных дыр во Вселенной. Большим черным дырам потребуется для этого очень много времени; черная дыра солнечной массы продержится примерно 1066 лет. С другой стороны, первичные черные дыры уже должны были почти полностью испариться за те десять миллиардов лет, которые прошли после Большого взрыва, означающего для нас начало Вселенной. Такие черные дыры сейчас должны излучать жесткие гамма-лучи с энергией порядка 100 миллионов электрон-вольт.

В свое время мы с Доном Н. Пейджем (на тот момент сотрудником Калифорнийского технологического института) проделали расчеты, основанные на измерении космического фона гамма-излучения со спутника SAS-2[41]. Наши расчеты показали, что средняя плотность первичных черных дыр во Вселенной должна быть меньше двух сотен на кубический световой год[42]. Если первичные черные дыры не являются однородно распределенными во Вселенной, а сосредоточены в так называемых галактических гало (слабых сферических облаках звезд и звездных скоплений вокруг основного галактического диска), локальная плотность первичных черных дыр в нашей галактике должна быть в миллион раз выше. И тогда может статься, что ближайшая черная дыра притаилась, например, на орбите Плутона.

Финальная стадия испарения черной дыры должна протекать чрезвычайно быстро и закончиться грандиозным взрывом. Мощность этого взрыва зависит от типа элементарных частиц, составляющих основу всех элементов. Если, как полагают сейчас, все частицы состоят из шести разновидностей кварков, энергия финального взрыва будет эквивалентна десяти миллионам водородных бомб мощностью в 1 мегатонну. Есть и другая гипотеза, которую выдвинул Р. Хейдждорн из ЦЕРНа, Европейской организации ядерных исследований (Женева): существует бесконечное количество элементарных частиц все более высокой массы. По мере того как черная дыра становится все меньше и горячее, она будет излучать все большее количество разных частиц, и взрыв, который ее настигнет, будет примерно в сто тысяч раз более мощным, чем в кварковой модели. Если нам посчастливится наблюдать взрыв черной дыры, мы получим очень важную информацию по физике элементарных частиц. И она будет уникальной, потому что никаким другим способом ее получить невозможно.

Взрыв черной дыры приведет к интенсивному гамма-излучению высоких энергий. Его можно наблюдать на борту спутников или высотных аэростатов с помощью детекторов гамма-излучения, но это достаточно сложная задача. Детектор должен иметь большие размеры, чтобы суметь перехватить достаточное количество гамма-фотонов от одного взрыва. Можно, например, использовать многоразовый космический корабль-челнок для постройки большого гамма-детектора на орбите Земли. Можно также использовать верхнюю атмосферу Земли как детектор – это и легче, и дешевле. Гамма-излучение высокой энергии, погружаясь в земную атмосферу, создает ливень из электрон-позитронных пар, которые первоначально будут лететь в атмосфере быстрее света[43]. (Свет замедляется взаимодействиями с молекулами воздуха.) Таким образом, электроны и позитроны[44] вызывают в электромагнитном поле явление, подобное звуковому хлопку, или ударной волне. Такая ударная волна, называемая излучением Черенкова, может быть замечена с поверхности Земли в виде вспышки