Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Теоретики предсказывали, что черные дыры должны находиться во всех галактиках. С помощью таких инструментов, как космический телескоп «Хаббл», астрономы подтвердили эту гипотезу, обнаружив черные дыры. Какие-то – неактивные и темные, другие – жадно поглощающие газ и ярко сияющие. Ученые установили массу огромного количества черных дыр. Это исследование лишило черные дыры ореола исключительности и мрачности и превратило их в неотъемлемый элемент Вселенной – что не делает их менее потрясающими.

Теперь можно рассмотреть и результаты существования черных дыр. Мы проследим историю их жизни и роль в эволюции Вселенной ретроспективно вплоть до Большого взрыва. Мы узнаем, как их моделируют на компьютере, и зададимся вопросом, возможно ли создать их в лаборатории в принципе. Мы узнаем, как с помощью черных дыр проверить теорию гравитации и как были обнаружены колебания пространственно-временного континуума, вызываемые их слиянием. Наконец, мы попробуем предсказать судьбу черных дыр на протяжении почти бесконечного космического времени.

Как складывается жизнь черных дыр? Астрономы полагают, что некоторые черные дыры могли образоваться вскоре после Большого взрыва, когда новорожденная Вселенная была горячей и плотной. С тех пор по мере гибели массивных звезд формировались маленькие черные дыры, а большие росли, пожирая газ в центре галактик или объединяясь при галактическом слиянии. Во второй части книги мы узнаем, как образуются и растут черные дыры разной величины. Теперь, когда их существование уже не подвергается сомнению, астрономы разрабатывают программы наблюдения, подбираясь все ближе к горизонту событий. Исследователи также научились анализировать свойства черных дыр в безопасных условиях компьютерного моделирования.

Черные дыры – это опытный полигон для теории гравитации. Теперь теорию относительности ждет самая серьезная проверка в истории. В последующее десятилетие исследования черных дыр в основном сосредоточатся на регистрации гравитационных волн, колебаний пространственно-временного континуума, которые являются главным предсказанием общей теории относительности. Несколько лет назад, когда впервые были зарегистрированы слияния с участием черной дыры, в астрономии возникло новое направление. Детекторы гравитационных волн скоро будут способны регистрировать слияния черных дыр во всей наблюдаемой Вселенной с частотой в одно событие в неделю. Если человечество доживет до этого момента, наши отдаленные потомки смогут вблизи наблюдать слияние черной дыры, которая находится в центре нашей Галактики, с аналогичной дырой в галактике Андромеды.

Наконец, мы узнаем, как растут и впоследствии умирают от голода черные дыры по мере расширения Вселенной и рассеивания галактик. Даже самые большие черные дыры однажды испарятся, мало-помалу растрачивая себя в излучении Хокинга. Ничто не вечно – ни Вселенная, ни черные дыры.

Во Вселенной есть черные дыры разных размеров: от объектов величиной с мегаполис с массой звезды до гигантов размера Солнечной системы с массой галактики. Как рождаются и проживают свою жизнь черные дыры? История начинается с Большого взрыва и продолжается бурной гибелью звезд и схождением массы в центрах галактик. Используя наблюдение, теоретические знания, компьютерное моделирование и капельку воображения, астрономы воссоздали историю черных дыр. Они даже задались вопросом, не является ли черной дырой сама Вселенная.

В ранней Вселенной царили хаос и неупорядоченность. По мере формирования галактик, звезд и планет гравитацией Вселенная становилась «комковатой», она никогда не была идеально равномерной. Сразу после Большого взрыва появились небольшие неоднородности, и, поскольку средняя плотность Вселенной была чрезвычайно высокой, гравитация в этих областях должна была быть очень сильной. Таким образом, семена будущих галактик возникли еще в ранней Вселенной. Это еще не все. В том же году, когда Стивен Хокинг предсказал излучение, получившее его имя, он вместе со своим студентом Бернардом Карром написал статью о черных дырах, которые могли сформироваться в очень молодой Вселенной, – первичных черных дырах [200]. Они утверждали, что, даже если вариации плотности, случившиеся сразу же после Большого взрыва, были в среднем слабыми, в некоторых областях пространства они могли быть достаточными для создания гравитационного притяжения, превосходящего силу космического расширения. В этих местах должен был происходить гравитационный коллапс и могла образоваться черная дыра. Этот процесс мог вести к появлению черных дыр практически любой массы. Могли ли первичные черные дыры Хокинга стать вселенскими семенами?

Самые ранние черные дыры должны были сформироваться в так называемое планковское время [201] – период продолжительностью 10 –43секунды после Большого взрыва, когда размер Вселенной составлял 10 –35м. Образовавшиеся тогда черные дыры имели бы массу 10 –8кг – примерно как у крупицы пыли. Эти ранние черные дыры не могли расти из-за быстрого расширения Вселенной, поэтому быстро испарились. Любая черная дыра, сформировавшаяся менее чем через 10 –23секунды после Большого взрыва и имеющая массу менее 10 12кг, к настоящему моменту уже должна была испариться, но более поздние и массивные могли дожить до наших дней. Первичная черная дыра, образовавшаяся через секунду после Большого Взрыва, имела бы массу по меньшей мере в 100 000 солнечных – ненамного меньше, чем у массивной черной дыры в центре Млечного Пути.

Согласно другой интересной теории, первичные черные дыры могли сохраниться в неожиданной форме. Последние 40 лет астрономы пытаются решить проблему темной материи. Звезды в галактиках всех типов движутся слишком быстро – и это нельзя объяснить их собственной гравитацией. Представляется, что целостность галактик поддерживает какой-то дополнительный компонент массы, в пять или шесть раз больший, чем сумма всех звезд [202]. Эта темная материя оказывает гравитационное воздействие, но не излучает свет и никак не взаимодействует с излучением. Результаты гравитационного линзирования показывают, что темная материя заполняет и пространство между галактиками. Что если темная материя состоит из первичных черных дыр? Это интересная идея. Теоретически первичные черные дыры, как и темная материя, должны образовываться в космосе повсеместно, и если отвести им роль источника темной материи, то не придется изобретать новую элементарную частицу, не вписывающуюся в нормальную физику (и до сих пор не обнаруженную в экспериментах с ускорителями).