Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Наиболее важные результаты по физике черных дыр сейчас получают с помощью гравитационно-волновых детекторов. Значительные надежды можно связывать и с интерферометрическими наблюдениями окрестностей сверхмассивных черных дыр большого углового размера. В перспективе можно ожидать, что будет обнаружен крайне интересный эффект испарения черных дыр. Это позволит существенно продвинуться и в понимании физики этих объектов, и в понимании природы гравитации и квантовых процессов.

Гипотеза об испарении черных дыр была развита в статье Стивена Хокинга (1975). Эта работа во многом основана на обсуждении (с Яковом Зельдовичем и Александром Старобинским) квантовых эффектов вблизи черных дыр во время визита Хокинга в Москву в 1973 г.

Процесс испарения черных дыр – квантовый эффект. Рождение частиц и излучения происходит снаружи горизонта, т. е. частицы и излучение не пересекают горизонт. Для рождения частиц необходима энергия, которая черпается из массы черной дыры, так что по мере генерации частиц размер и масса компактного объекта уменьшаются.

Температура излучения черной дыры зависит от ее массы: чем больше масса, тем ниже температура. В абсолютной пустоте все черные дыры испарялись бы, однако на самом деле космос не пуст: он заполнен не только веществом, но и излучением. Наибольший вклад в его плотность энергии дает реликтовое излучение с температурой (в настоящее время) около 2,7 K. Соответственно, черные дыры с меньшей температурой в наши дни будут расти за счет поглощения реликтового излучения. В реалистичных условиях только черные дыры с массой меньше массы крупного астероида (их размеры – порядка размеров атомов и атомных ядер) должны постепенно испаряться (если у них нет другого источника массы, например связанного с аккрецией вещества из окружающей среды).

Испарение черных дыр – это достаточно медленный процесс (кроме финальных стадий). Тем не менее за время жизни Вселенной первичные черные дыры с массами менее 1015 г должны были испариться. Соответственно, если первичные черные дыры существуют и гипотеза о хокинговском испарении является верной, то в настоящее время черные дыры с первоначальной массой порядка 1015 г заканчивают свое существование. Этот процесс должен сопровождаться достаточно мощной вспышкой, видимой с расстояния в несколько сотен световых лет.

Черные дыры таких небольших масс могли рождаться в ранней Вселенной в первые доли секунды после начала расширения. Когда средняя плотность вещества была очень велика, флуктуации плотности могли достигать значений, требуемых для образования черных дыр. Количество первичных черных дыр и их распределение по массам остаются предметом дискуссий. Любые конкретные данные по первичным черным дырам расскажут нам многое об условиях в ранней (возможно, сразу после окончания стадии инфляции) Вселенной.

Поиски испаряющихся черных дыр ведутся в двух основных направлениях. Первое – это поиски собственно вспышек, которые могут наблюдаться не только в гамма-диапазоне, но и, например, в радиодиапазоне. Так, одной из гипотез для объяснения так называемых быстрых радиовсплесков было именно испарение черных дыр (эта гипотеза не подтвердилась и была отвергнута). Пока, к сожалению, не выявлено каких-либо событий, которые могут считаться надежными кандидатами во всплески испаряющихся черных дыр.

Второе направление поиска связано с поиском дополнительного вклада частиц, рождаемых в результате испарения. Идея состоит в том, что при испарении дыр рождаются частицы и античастицы. Антивещества во Вселенной крайне мало, поэтому существенный дополнительный вклад (например, в количество позитронов или антипротонов) можно было бы заметить. Анализ данных о составе космических лучей не позволяет пока говорить о том, что такой ожидаемый дополнительный вклад в количество античастиц обнаружен.

Наконец, различные астрофизические методы используются для поисков первичных черных дыр по их гравитационному действию. Например, первичные черные дыры могут выступать в роли гравитационных линз. Поиски таких объектов также не дали результата.

В вопросе о финальных стадиях испарения черных дыр есть много неясного. Например, в рамках теории петлевой квантовой гравитации финальные стадии испарения проходят не так, как в модели Хокинга. Поэтому обнаружение этого явления и изучение его свойств были бы крайне важными для фундаментальной физики.

Наша Галактика (Млечный Путь) – крупная система, состоящая из темного вещества, звезд, газа и пыли. Мы не можем видеть Галактику снаружи, поэтому не знаем многих деталей ее строения, однако нам известно, что это дисковая спиральная галактика. В центральной части находится балдж – сфероидальный компонент Галактики размером несколько тысяч световых лет, а в самом центре расположена сверхмассивная черная дыра массой около 4 млн солнечных. Поперечник звездного диска Галактики составляет около 100 000 световых лет, толщина его в десятки раз меньше диаметра. Наша звезда находится вблизи плоскости диска – примерно в 25 000–27 000 световых лет от его центра, поэтому на небе мы видим красивую полосу Млечного Пути – это основная масса звезд Галактики (всего их в ней несколько сотен миллиардов). Масса звезд составляет примерно 100 млрд масс Солнца, но основная (90 % по массе) составляющая Галактики нам не видна: диск погружен в сфероидальное гало размером около миллиона световых лет, состоящее в основном из темного вещества.

Галактике около 13 млрд лет, так что в ней есть очень старые звезды. Однако в диске присутствует много газа и пыли, поэтому и сейчас там продолжается процесс звездообразования. Благодаря этому раз в несколько десятков лет вспыхивают сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми элементами.

Наша Галактика не одинока: у нее есть десятки карликовых спутников и пара больших соседей – туманность Андромеды и галактика в Треугольнике. Вместе они формируют Местную группу галактик.

Основными структурными компонентами Галактики являются диск, балдж и гало. В центральной части Галактики также выделяют так называемый бар, или перемычку. Полная масса Галактики составляет около триллиона масс Солнца, бóльшая ее часть приходится на гало, состоящее в основном из темного вещества. Масса звезд составляет около 100 млрд солнечных, и это в основном звезды диска. Характерный размер (диаметр) диска составляет около 100 000 световых лет, а средняя толщина – несколько тысяч. Балдж находится в центральной части Галактики, имеет округлую форму, размеры в несколько тысяч световых лет и в несколько раз легче диска. Гало размером в сотни тысяч световых лет охватывает всю Галактику.