§ 7. Первичные черные и белые дыры

Теория относительности утверждает, что не только в масштабах всей Вселенной топология может быть сложной, но и в малых масштабах возможны сложные топологические структуры. В принципе можно представить два "обычных" пространства, связанных "горловиной" - отверстием, делающим топологию суммарного полного пространства" сложной. Эта возможность использовалась рядом авторов для попытки объяснения некоторых астрономических явлений. Еще в 1928 году Джине писал в связи с вопросом о спиральных ветвях галактик: "Настойчиво заявляет о себе предположение, что центры туманностей имеют природу точек сингулярности, в которых в нашу Вселенную вливается вещество из каких-то других, совершенно неизвестных нам пространственных измерений и которые проявляют себя в нашей Вселенной как точки, где происходит непрерывное образование вещества".

Казалось бы, сегодня можно пытаться использовать идею втекания материи и энергии из "других измерений", т. е. из "отверстий", связывающих разные области топологического сложного пространства, для объяснения активности ядер галактик и квазаров. Оказывается, что ОТО исключает такую возможность. Действительно, рассмотрим такую гипотетическую сингулярную область с отверстием.

Уравнения ОТО, написанные для наружной, не сингулярной области (например, далеко от центра галактики, или квазара) приводят к законам сохранения: масса, находящаяся внутри области, меняется лишь тогда, когда через мысленно выделенную поверхность, ограничивающую эту область, втекает или вытекает вещество или энергия, в том числе и энергия гравитационных волн. Никакого рождения массы и энергии, никакого втекания через "дыры" согласно ОТО быть не может^*. Значит, независимо от самых фантастических предположений о сингулярности внутри поверхности, можно заранее сказать, сколько массы и энергии можно получить из внутренней области. Это количество определяется массой, которую далекий наблюдатель может в любой момент измерить по создаваемому ею полю тяготения вдали. Ничего дополнительного втекшего через "дыру" и не протекшего во внутрь через окружающую внешнюю мысленно выделенную поверхность получить невозможно.

^* (При рождении частиц из вакуума в сильном гравитационном поле (см. § 2 гл. 5) происходит переход энергии гравитационного поля в энергию частиц и полей.)

Таким образом, наглядная картина Джинса - отверстие в "другой мир", откуда в любом количестве может поступать энергия,- несовместима с ОТО.

Но сама идея возможности сложной топологии в малых областях оказывается правильной. Она связана с так называемыми "черными дырами". Черная дыра - это масса, сжавшаяся настолько сильно, что в ее возросшем поле тяготения вторая космическая скорость (которую необходимо придать телу, чтобы оно могло, преодолев силу тяготения, улететь в бесконечность) превышает скорость света. Ясно, что из черной дыры ничего не может вылететь, ибо ничто в природе не способно двигаться со скоростью больше световой. Поле тяготения может стать таким сильным, если тело массой М сжимается ло оазмепов гоавитапионного радиуса r_g:

о котором мы уже упоминали в § 1 гл. 2.

В сильном поле тяготения вблизи черной дыры геометрические свойства пространства описываются неевклидовой ("искривленной") геометрией, а время там течет медленнее, чем вдали, вне сильного поля тяготения, "замирая" вблизи r_g. Область внутри r_g можно рассматривать как своеобразную "дыру" в пространстве (и времени). Точно топология внутри черной дыры неизвестна, но известно, что там должна быть сингулярность пространства-времени.

Массивные звезды, заканчивая свою эволюцию, превращаются в черные дыры. Что увидит далекий наблюдатель, когда начнется такое превращение?

Звезда после бурных процессов - потери устойчивости и сброса внешних оболочек - быстро сжимается под действием сил тяготения. Но вблизи гравитационного радиуса, поскольку течение времени замедляется, картина сжатия тоже резко замедляется. Звезда бесконечно долго приближается к гравитационному радиусу, она как бы застывает. Видимое излучение звезды быстро затухает и "краснеет", так как фотоны теряют энергию в поле тяготения и в конце концов вообще не могут вырваться из сильного гравитационного поля. Все, что произойдет со звездой после сжатия до размеров гравитационного радиуса, никогда не увидит внешний наблюдатель.

Падение газа в окрестности черных дыр звездного происхождения ведет к его нагреву, излучению рентгеновских лучей. Вероятно, первые черные дыры уже обнаружены по рентгеновскому свечению газа.

Образование черных дыр с массой, много меньшей, чем масса звезд, в естественных условиях в современной Вселенной происходить не может. В случае таких небольших масс недостаточно сил тяготения, чтобы преодолеть силы давления вещества, препятствующие сжатию. А для превращения малых масс в черные дыры необходимо сжатие вещества до плотностей, значительно превышающих плотность атомного ядра. Таких плотностей в небесных телах во Вселенной нет.

Но вспомним, что Вселенная расширяется. Около 20 миллиардов лет назад плотность всего вещества Вселенной была несравненно больше сегодняшней плотности. В первые мгновения после начала расширения Вселенной плотность вещества превышала ядерную плотность. В то время достаточно было даже очень небольших избытков плотности вещества в отдельных областях, чтобы тяготение заставило перейти эти области от расширения к сжатию и образовать" микроскопические черные дыры. Этот процесс разобран в § 3 гл. 4. В принципе такие первичные, как их называют, черные минидыры могут иметь сколь угодно малые массы. Возможность существования первичных дыр была указана советскими астрофизиками.

Возникали ли реально такие первичные черные дыры во Вселенной? Какова их судьба, как их можно обнаружить? Оказывается, для ответа на все эти вопросы необходимо учитывать квантовые процессы, которые должны возникать в окрестности черных минидыр. Но прежде чем переходить к ним, познакомимся еще с одним типом объектов из "родственников" черных дыр - с так называемой белой дырой.

Белые дыры - это еще одно теоретическое предсказание, сделанное советскими физиками. То, что "придумали" здесь физики, кажется еще более удивительным, чем свойства черных дыр. Представим себе, что в момент начала расширения Вселенной расширялось не все вещество - некоторые области (ядра) задержались в расширении. Тогда при расширении остального вещества в отдельных областях возникнут сингулярные состояния.

Как мы уже упоминали раньше, вблизи таких сингулярностей происходят квантовые процессы. Эти процессы вблизи сингулярности в сильном переменном гравитационном поле приводят к бурному рождению пар частиц и античастиц. Облако частиц, родившихся вблизи задержавшихся ядер, расширяется и, с точки зрения внешнего наблюдателя, быстро заполняет всю область внутри гравитационного радиуса, препятствуя расширению задержавшегося ядра. Кроме того, на такой объект извне падает горячий газ. Все это вместе приводит к тому, что белая дыра (вещество, задержавшееся в расширении Вселенной) превращается в черную дыру.

Мы не будем дальше останавливаться на описании этого интересного явления. Отметим лишь, что если белые дыры и были в начале расширения Вселенной и если эти задержавшиеся ядра не успели расшириться в самом начале, то они быстро превращаются в черные дыры.

Теперь обратимся к судьбе первичных черных дыр и к процессам, которые разыгрываются в их окрестности.

Расчеты квантовых процессов вокруг черных дыр, проделанные недавно английским теоретиком С. Хоукингом, показали, что существует квантовый процесс рождения частиц гравитационным полем самой черной дыры, приводящий к уменьшению массы и размера черной дыры. Конечно, эти процессы намного слабее тех, что происходят в сингулярности. Согласно расчетам Хоукинга черная дыра массой М (в граммах) рождает частицы точно так же, как абсолютно черное тело, нагретое до температуры (¹⁰²⁶/_M) К. Излучая частицы, черная дыра теряет массу и уменьшается. Разумеется, это происходит, если на черную дыру не падает извне вещество и излучение, которые, поглощаясь, увеличивают массу черной дыры.

Эффекты рождения частиц для черных дыр, возникающих из звезд с массой в несколько солнечных, ничтожны. Так, черная дыра массой 3М имеет температуру всего 10^-7 К.

Расчеты показывают, что если отсутствуют внешние воздействия, то черная дыра звездной массы "испарится" за 10⁶⁶ (^M/_M) лет (М - масса черной дыры).

Не скоро, но все-таки испарится!

По мере уменьшения массы черной дыры в ходе испарения ее температура нарастает, а значит, и ускоряется процесс испарения. Последние 10⁹г черная дыра излучает за 0,1 сек. Излученная энергия, Мс² = 10⁹г*10^21см2/_сек ≈ 10³⁰эрг, эквивалентна взрыву 1 млн. мегатонных водородных бомб!

Особую важность квантовые процессы приобретают именно для первичных черных дыр. Если в начале расширения Вселенной, когда вещество было плотным, образовались черные дыры массой, меньшей 10¹⁵ г, то все они должны к нашему времени испариться. По этой причине процесс, открытый Хоукингом, имеет очень важное значение для космологии. Процесс испарения первичных черных дыр ведет к излучению высокочастотных фотонов - гамма-излучению. Так, черные дыры массой около 10¹⁵ г должны излучать кванты с энергией около 100 Мэв.

Наблюдение таких квантов, приходящих из космоса, в принципе могло бы помочь обнаружению первичных черных дыр. Пока же они не обнаружены, и можно только сказать, что количество черных дыр массой около 10¹⁵ г во Вселенной должно быть в среднем не больше, чем десять тысяч на каждый кубический парсек. Если бы их было больше, то общее количество излучаемых ими гамма-квантов с энергией около 100 Мэв было бы больше наблюдаемого сейчас потока гамма-квантов из космоса. Количество "десять тысяч" кажется большим, но вспомним, что масса первичных черных дыр ничтожна по сравнению, скажем, с массой звезды.

Итак, если первичные черные дыры и существуют, то во всех них содержится вещества (при массе каждой в 10¹⁵ г) ничтожно мало по сравнению с содержащимся в обычных звездах. Существуют и другие астрономические наблюдения, ведущие к сильному ограничению возможного o количества вещества в первичных черных дырах различных масс.

Первичные черные дыры пока не обнаружены. Наблюдения покажут, существуют ли такие объекты.