Космические рубежи теории относительности

РИС. 17.9. Маленькие чёрные дыры являются горячими. Чёрные дыры малой массы окружены тонким потенциальным барьером. Чем меньше масса, тем тоньше потенциальный барьер. Частицы и излучение могут проходить сквозь него благодаря туннельному эффекту, и поэтому температура маленьких чёрных дыр может быть достаточно велика.

Очень маленькие чёрные дыры должны обладать исключительно тонкими потенциальными барьерами, через которые сможет легко выходить в окружающую Вселенную и излучение, и частицы. Поэтому температура очень малых чёрных дыр должна быть поистине огромна. Чёрная дыра с массой 1 000 000 т испускает столько вещества и энергии, что её температура равняется квадрильону (10¹⁵) градусов. При массе в 1 т температура чёрной дыры равна 10²¹ (миллиард триллионов) градусам. На рис. 17.10 представлен ход температур чёрных дыр в очень широком диапазоне масс.

РИС. 17.10. Температура чёрных дыр. Чем меньше масса чёрной дыры, тем выше её температура. Температура очень маленьких чёрных дыр может быть крайне высокой.

При испускании очень малой чёрной дырой вещества и излучения её масса должна уменьшаться. Если чёрная дыра испускает 1 кг вещества, её масса должна уменьшиться в точности на 1 кг. Этот простой факт влечёт за собой очень важные следствия. Испуская вещество и излучение, чёрная дыра теряет свою массу. При уменьшении массы чёрной дыры потенциальный барьер вокруг неё становится тоньше, её температура растет, и соответственно дыра начинает испускать всё больше частиц и энергии. И чем больше она излучает, тем меньше становится, а чем меньше становится, тем больше излучает. Таким образом чёрная дыра буквально съедает сама себя - она испаряется, причем процесс испарения самоускоряется по мере уменьшения массы дыры. Это ускорение настолько усиливается, что очень маленькие чёрные дыры в последние секунды своего существования просто взрываются. Полное количество энергии, выделяемое за последнюю секунду испарения чёрной дырой, эквивалентно взрыву водородной бомбы мощностью миллиард мегатонн!

Если нашей Вселенной уже 18 миллиардов лет и если первичные чёрные дыры образовались во время Большого Взрыва, то на сегодня все очень маленькие чёрные дыры уже давно испарились. Очень маленькие чёрные дыры должны быть такими горячими и испускать так много вещества, что им просто невозможно было бы просуществовать сколько-нибудь долгое время. Поэтому можно говорить о времени жизни чёрной дыры. Чёрная дыра, возникшая из 100 т вещества, должна быть настолько горячей, что смогла бы просуществовать всего 1/10000 с до того, как полностью испариться. Чёрной дыре с массой 1 миллион тонн для полного испарения требуется около 3 лет. Чёрная дыра с массой 1 миллиард тонн продержится около 3 миллиардов лет. На рис. 17.11 приведены времена жизни для чёрных дыр различных масс.

РИС. 17.11. Время жизни чёрных дыр. По мере того как чёрная дыра испускает частицы и излучение, её масса уменьшается. По мере уменьшения массы чёрная дыра испускает всё больше частиц и излучения, так как её температура растет. Этот самоускоряющийся процесс приводит к тому, что в конце концов все чёрные дыры испаряются. За последние несколько микросекунд такого испарения чёрная дыра выделяет количество энергии, эквивалентное взрыву миллиарда мегатонных водородных бомб! Так как возраст Вселенной составляет около 18 миллиардов лет, все чёрные дыры с массами менее нескольких миллиардов тонн должны к нашим дням уже испариться.

Так как время жизни первичной чёрной дыры определяется её начальной массой, ясно, что самые маленькие чёрные дыры, возникшие при большом взрыве, уже должны были испариться. До наших дней могли сохраниться лишь те из первичных чёрных дыр, массы которых превышали несколько миллиардов тонн (10 ¹⁵ г). Значит, если учёным и удастся когда-нибудь обнаружить в космосе первичные чёрные дыры, то они будут не менее массивны, чем средний астероид, хотя, вероятно, их размеры не будут превышать размеров атома. Обнаружить эти весьма малые объекты было бы возможно по испускаемой ими огромной энергии, вероятно, в виде очень жестких гамма-лучей.

Проблема возможного обнаружения первичных чёрных дыр в космосе самым непосредственным образом связана с тем, сколько же таких дыр должно было образоваться во время Большого Взрыва? В конце 1975 г. Бернард Карр, несколько лет работавший с Хоукингом, выдвинул серьёзные доводы в пользу того, что первичных чёрных дыр должно быть довольно много. Карр имел в виду, что в центре галактик возможно присутствие массивных первичных чёрных дыр (с массами более миллиона масс Солнца). Если это так, то, быть может, рядом с нашей Солнечной системой или даже в её составе найдутся две-три маленькие первичные чёрные дыры. Возможно (хотя и маловероятно), что маленькая чёрная дыра обращается по орбите около Солнца, не замечаемая нами.