Фред Адамс - Пять возрастов Вселенной

Благодаря другому аналогичному процессу радиопередатчики могут транслировать радиопередачи. В радиопередатчике движутся заряженные частицы (электроны), которые создают возмущения в электромагнитных полях. Этими возмущениями являются радиоволны, переносящие музыку, спорт и прогнозы погоды по всей нашей планете. Электромагнитное излучение обусловлено движением электрических зарядов, а следовательно, электромагнитными силами, тогда как гравитационное излучение возникает из-за движения масс и гравитационной силы.

Из-за явной слабости гравитации количество энергии, переносимое гравитационными волнами, обычно очень мало. Однако если подождать достаточно долго, влияние этой крошечной утечки энергии становится существенным, в силу чего объекты, движущиеся по орбите, должны медленно смещаться по спирали внутрь. Разрушение орбит посредством гравитационного излучения обычно происходит мучительно медленно. В отсутствие других катастрофических событий Земля, например, смещаясь по спирали, врезалась бы в Солнце более чем через девятнадцать космологических декад.

Несмотря на свою медлительность, именно гравитационное излучение виновато в разрушении орбиты одной наблюдаемой астрономической системы — двойного пульсара . Эта двойная система состоит из пары нейтронных звезд, которые оборачиваются по орбите относительно друг друга каждые восемь часов. Они разделены миллионом километров — расстоянием, сравнимым с диаметром нашего Солнца. Диаметр самих нейтронных звезд всего двадцать километров, так что, по сравнению с размером, их разделяет довольно большое расстояние. Этот двойной пульсар служит для нас двумя невероятно точными часами. Радиоимпульсы, образующиеся в результате вращения одной из нейтронных звезд, определяют один тип часов. Нейтронная звезда, испускающая радиоимпульсы, называется пульсаром. Регулярные изменения импульсов, обусловленные орбитальным движением двух нейтронных звезд, служат часами второго типа. И первые, и вторые позволяют производить очень точные измерения времени, но при сравнении их показаний орбитальные часы выказывают явную тенденцию к забеганию вперед. Из-за гравитационного излучения орбита разрушается, и расстояние между звездами постепенно уменьшается. Это уменьшение орбиты, в свою очередь, вынуждает звезды вращаться вокруг друг друга быстрее, что еще больше ускоряет ход орбитальных часов (по сравнению с часами пульсара).

Орбита двойного пульсара раскручивается в точном соответствии с общей теорией относительности и сопутствующей ей идеей о том, что гравитационное излучение приводит к разрушению орбиты. Таким образом, двойной пульсар позволяет нам чрезвычайно точно измерить предсказания общей относительности. Джо Тейлор и Рассел Хале открыли эту систему в 1974 году. На протяжении двух следующих десятилетий они проводили тщательные измерения времени. Полученные ими результаты потрясающим образом совпали с предсказаниями общей теории относительности, за что в 1993 году им присудили Нобелевскую премию по физике.

Двойной пульсар проживет не слишком долго по сравнению с теми длинными временными эпохами, к которым мы уже привыкли. Всего через 250 миллиардов лет две нейтронные звезды завершат свое спиральное сближение и сольются воедино. В результате их гравитационного объединения образуется новая черная дыра вкупе с огромным выбросом гравитационного излучения. Таким образом, двойной пульсар исчезнет задолго до завершения эпохи звезд. Однако образующаяся в результате этого слияния черная дыра куда более долговечна и вполне способна дожить до шестьдесят пятой космологической декады.

Когда Вселенная вступает в эпоху черных дыр, сохраняются только те двойные «звездные» системы, которые составляют черные дыры. Так же, как двойной пульсар сжимает свою орбиту, все бинарные системы испытывают разрушение орбиты и финальное слияние, изобилующее фейерверками гравитационного излучения. Чтобы дожить до эпохи черных дыр, в начале своего существования двойная система должна быть разделена расстоянием, превышающим два световых года. Чтобы прожить дольше, двойным системам нужно еще большее разделение в начале, позволяющее пережить неумолимую утечку гравитационного излучения. К пятидесятой космологической декаде сохранившиеся бинарные системы изначально должно было разделять расстояние в 650 световых лет; чтобы пережить шестидесятую космологическую декаду, двойные системы в самом начале должны быть разделены расстоянием, превышающим размер Млечного Пути. Чтобы прожить до восьмидесятой космологической декады, двойная система из черных дыр в начале своего пути должна быть разделена расстоянием, превышающем всю видимую сегодня Вселенную.

Черные дыры не абсолютно черные. На протяжении огромных периодов времени они чрезвычайно медленно излучают в космическое пространство тепло. Тепло — это разновидность энергии, а энергия эквивалентна массе. Таким образом, объект, генерирующий тепло, также должен и медленно терять массу. По мере того как утекает масса-энергия черной дыры, скорость потери ею тепла постепенно возрастает, в силу чего черная дыра не может существовать вечно. Ей суждено испариться, превратившись в ничто.

Нам известно, что черная дыра — это-«объект, гравитация поверхности которого не позволяет оторваться от нее даже свету», и все же она может излучать энергию в пространство, что выглядит противоречивым. В самом деле, феномен излучения черной дыры — это квантово-механический эффект, который невозможно понять в рамках только лишь общей теории относительности. Испарение черной дыры — один из нескольких вычислимых результатов, относящихся к области квантовой гравитации .

Квантово-механический процесс, вызывающий испарение черной дыры, открыл в 1974 году Стивен Хокинг; именно в его честь он получил название излучения Хокинга . Излучение Хокинга, испускаемое поверхностью звездной или сверхмассивной черной дыры, состоит, главным образом, из протонов и нейтрино, а также некоторой доли гравитонов. Спектр излучения, испускаемого черной дырой, имеет точно такую же форму, как и спектр абсолютно черного тела, который испускается объектом, имеющим однородную неизменную температуру (как уже обсуждалось в первой главе). Температура конкретной черной дыры определяется ее массой: чем больше черная дыра, тем ниже ее температура. Черная дыра с массой Солнца имеет температуру лишь на 0,0000001 градуса выше абсолютного нуля, тогда как сверхмассивные черные дыры намного холоднее.

Тепловое излучение черной дыры можно объяснить квантовым принципом неопределенности Гейзенберга. Исследуя свойства белых карликов, мы видели, что принцип неопределенности не позволяет нам точно знать одновременно импульс и положение частицы. Аналогичным образом, принцип неопределенности предполагает, что энергия системы и временной промежуток, на протяжении которого эта система содержит определенное количество энергии, невозможно знать точно одновременно. Эта энерговременная форма принципа неопределенности Гейзенберга означает, что закон сохранения энергии справедлив в среднестатистическом случае, но не в абсолютно точном смысле. Закон сохранения энергии может нарушаться при условии, что это нарушение имеет место в течение достаточно короткого времени. Более значительные нарушения закона сохранения энергии происходят в течение более коротких промежутков времени. Пары частиц, называемых из-за их временного статуса виртуальными частицами , беспрерывно создаются из квантовой материи пространства. Эти частицы живут лишь очень короткое время, по истечении которого они должны вновь аннигилировать — превратиться в ничто. Один из способов, позволяющих получить хоть какое-то представление об этой необычной концепции виртуальных частиц, — вообразить, что вакуум, который считается пустым пространством, способен заимствовать энергию. Пары виртуальных частиц получают энергетическую «ссуду», после чего проживают короткий промежуток времени, «взятого взаймы», а потом бывают вынуждены отдать свой долг вакууму и исчезнуть.