Текст книги "Космические рубежи теории относительности"

Автор книги: Уильям Кауфман

сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 20 страниц)

16

ВЗРЫВАЮЩИЕСЯ ГАЛАКТИКИ И МАССИВНЫЕ ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

В XVIII и XIX вв. астрономы очень увлекались поисками комет. Маститые астрономы Западной Европы ночь за ночью «прочесывали» небо в поисках новых комет. Тем удачливым наблюдателям, которые смогли обнаружить одного или нескольких этих временных гостей окрестностей Солнца, присуждались премии и медали.

Новооткрытая комета часто имела в телескоп вид слабого туманного пятнышка. Лишь с приближением к Солнцу замерзшие газы в ядре кометы испаряются, и возникает характерный кометный хвост. Прослеживая ночь за ночью путь новооткрытой кометы на фоне неподвижных звёзд, можно рассчитать орбиту кометы вокруг Солнца. Если затем орбита приведет комету в близкие окрестности Солнца, то сможет испариться заметная часть замерзших газов ядра кометы. Будет наблюдаться «хвостатая звезда», нередко доступная невооруженному глазу. Однако обычно орбита кометы пролегает так далеко от Солнца, что объект всё время остаётся слабым пятнышком, различимым только в хороший телескоп.

Одна из трудностей, с которой столкнулись охотники за кометами, состояла в том, что на небе имеется много объектов, на первый взгляд выглядящих как кометы. Они видны в телескоп как расплывчатые маленькие пятнышки, но наблюдение их на протяжении многих ночей показывает, что они не меняют своего положения по отношению к окружающим звёздам. Это обстоятельство свидетельствует о том, что такие размытые объекты, или туманности, находятся очень далеко от Солнечной системы.

Почти двести лет назад знаменитый французский охотник за кометами Шарль Мессье составил список примерно 100 туманностей. Хотя его первоначальной целью было помочь коллегам распознавать объекты, которые можно спутать с кометами, скоро выяснилось, что этот список содержит интереснейшие объекты неба. Первым в каталоге Мессье (М 1) оказалась Крабовидная туманность, изображенная на рис. 7.5. Сорок второй объект (М 42)-это туманность Ориона, а М 57-кольцеобразная туманность. Они приведены соответственно на рис. 6.6 и 6.9.

Многие из объектов Каталога Мессье находятся сравнительно близко от нас. Подобно туманности Ориона, Крабовидной туманности и Кольцеобразной туманности, они часто бывают связаны с процессами рождения и смерти звёзд. Расположены они также среди звёзд и находятся поэтому на обычных для звёзд расстояниях от нас. Такие объекты разбросаны по всей нашей Галактике.

Хотя многие из объектов Каталога Мессье представляют собой действительно облака газа или скопления звёзд, находящиеся в пространстве нашей Галактики, несколько десятков заметно отличаются от них. Эти необычные объекты имеют нередко форму колеса с закрученными спицами и были названы поэтому спиральными туманностями. Характерный пример – объект М 101, изображенный на рис. 16.1. Этим спиральным туманностям предстояло стать предметом самых горячих споров в астрономии со времен Коперника.

РИС. 16.1. Одна из галактик. В Каталог Мессье вошли объекты типа этой спиральной галактики (М 101). В начале 1920-х годов астрономы горячо обсуждали вопрос о том, на каких расстояниях от нас находятся галактики. (Ликская обсерватория.)

Главной проблемой оказалось расстояние до спиральных туманностей. Являются ли они сравнительно близкими объектами, расположенными на расстояниях всего в сотни или тысячи световых лет от нас? Или это гигантские объекты в миллионах световых лет от Галактики? К началу 1920-х годов астрономы-профессионалы разбились на два враждующих лагеря, и каждый научный конгресс сопровождался горячими спорами по этой проблеме.

К середине 1920-х годов проблема наконец была решена, когда молодой сотрудник обсерватории Маунт Вилсон Эдвин Хаббл сообщил об открытии переменных звёзд в нескольких спиральных туманностях, в частности в М 31. М 31 -это большая спиральная туманность в созвездии Андромеды. Часть этой туманности показана на рис. 16.2 (там указаны положения двух переменных звёзд в ней). Открытие этих переменных звёзд сослужило неоценимую службу, поскольку уже было известно, что период изменения блеска звёзд этого типа непосредственно связан с их абсолютной яркостью (светимостью). Измерив период, с которым эти звёзды изменяли свою яркость, Хаббл смог найти расстояние до них. Оказалось, что расстояние до М 31 составляет около 2 миллионов световых лет. Туманность Андромеды лежит далеко за пределами нашей Галактики, и это неопровержимо свидетельствует о том, что спиральные туманности – это гигантские звёздные системы. Сегодня эти звёздные системы называют спиральными галактиками.

РИС. 16.2. Переменные звёзды в галактике М 31. На этом снимке участка галактики Андромеды (М 31, которую обозначают также NGC 224) видны две переменные звезды, отмеченные стрелками. Исследуя свойства переменных звёзд, Хаббл сумел доказать, что галактики находятся очень далеко от нашей Галактики. (Обсерватория им. Хейла.)

В конце 1920-х годов Хаббл сделал новые важные открытия, касающиеся природы внегалактических объектов. Во-первых, он нашёл, что галактики можно классифицировать по четырем основным типам. Кроме обычных спиральных галактик, таких, как М 31 и М 101, имеются аналогичные объекты, сквозь ядра которых проходит как бы стержень. На рис. 1.4 приведен характерный пример одной из подобных пересеченных спиральных галактик.

Кроме спиральных и пересеченных спиральных галактик имеется и третий тип объектов, у которых вообще отсутствуют спиральные рукава. Такие галактики имеют вид эллиптических бесструктурных пятен и называются эллиптическими галактиками. Некоторые из самых ярких галактик неба, например М 87 (рис. 16.3), – это эллиптические галактики.

РИС. 16.3. Гигантская эллиптическая галактика М 87. У многих галактик, как и у этого объекта в созвездии Девы, вообще не наблюдается спиральных рукавов. Такие галактики называют эллиптическими. Эллиптическими являются некоторые из самых ярких галактик неба. (Ликская обсерватория.)

Наконец, те галактики, которые не могут быть причислены ни к одному из трёх предыдущих типов (т. е. к спиральным, пересеченным спиральным или эллиптическим), часто обладают необычной формой. Эти странные по своему виду галактики (например, М 82 на рис. 16.4) называются неправильными галактиками. К числу неправильных галактик относятся и две самые близкие к нашему Млечному Пути – Малое и Большое Магеллановы Облака, которые можно видеть невооруженным глазом в южном полушарии.

РИС. 16.4. Взрывающаяся галактика М 82. Этот объект в созвездии Большой Медведицы является образцом неправильной галактики. Искаженный вид галактики М 82 объясняется тем, что она находится в состоянии взрыва. (Обсерватория им. Хейла.)

РИС. 16.5. Красное смещение в спектрах галактик. Здесь приведены фотографии пяти эллиптических галактик и их спектров. Во всех спектрах заметно красное смещение, прямо пропорциональное расстоянию до галактик. Это показывает, что Вселенная расширяется. (Обсерватория им. Хейла.)

Хаббл не ограничился тем, что создал классификацию галактик по их внешнему виду. Кроме того, он исследовал спектры многих внегалактических объектов. Анализируя спектры далеких галактик, он заметил, что почти во всех этих спектрах наблюдается красное смещение. На рис. 16.5 видно, что спектральные линии сдвинуты к красному концу спектра. К 1929 г. Хаббл пришел к выводу, что существует прямая взаимосвязь между красным смещением в спектрах галактик и расстоянием до них. Самые близкие галактики имеют наименьшее красное смещение, т. е. медленно движутся от нас. Более далекие галактики обладают намного большими значениями красного смещения, а значит, движутся от нас намного быстрее. Эта связь между расстоянием и скоростью разбегания нагляднее всего выражается в форме графика. Он приведен на рис. 16.6 и иллюстрирует закон Хаббла.

РИС. 16.6. Закон Хаббла. Существует прямая пропорциональность между скоростями галактик и расстояниями до них. Галактики, расположенные близко от нас, удаляются очень медленно, а более удалённые галактики разбегаются с гораздо большими скоростями. Такая зависимость показывает, что Вселенная расширяется.

Значение закона Хаббла прежде всего состоит в следующем: так как все галактики становятся всё дальше и дальше друг от друга, то наша Вселенная должна расширяться! К тому же по наклону прямой на рис. 16.6 можно подсчитать, когда именно все галактики должны были находиться в одном и том же месте. Согласно самым последним и самым точным данным (полученным, в частности, в работах Аллана Сэндиджа в обсерватории им. Хейла, США), 18 миллиардов лет назад Вселенная должна была находиться в чрезвычайно сжатом состоянии. Затем по какой-то неизвестной причине произошел колоссальной силы взрыв (его так и называют Большим Взрывом), после чего началось расширение Вселенной. Самым непосредственным выводом из фундаментальной работы Хаббла является заключение, что Вселенная расширяется в результате первичного взрыва, происшедшего примерно 18 миллиардов лет назад. Таковы основные элементы теории, которая называется космологией Большого Взрыва.

В 1960-х годах астрономы приступили к чрезвычайно подробным наблюдениям галактик и, к своему большому удивлению, обнаружили, что в центрах галактик, по-видимому, часто происходят чудовищные катастрофы. Так, например, в неправильной галактике М 82 сейчас наблюдается чудовищный взрыв, буквально разрывающий галактику на части. Струи газа вырываются из этой галактики со скоростями, превышающими 15000 км/с.

Но кроме неправильных галактик, которые исковерканы катастрофическими явлениями, галактики, имеющие обычный вид, часто также оказываются ареной гигантских взрывов. Например, на снимке с короткой выдержкой на рис. 16.7 видна галактика М 87, из ядра которой вырывается огромная струя газа. Физики пока не могут объяснить механизмы высвобождения тех количеств энергии, которые должны иметь место в подобных взрывах.

РИС. 16.7. Струя выброса из галактики М 87. На снимке эллиптической галактики М 87, сделанном с короткой экспозицией (ср. с рис. 16.3), видна гигантская струя газов, извергающаяся из ядра этой галактики. Эта струя является мощным источником радиоизлучения. (Ликская обсерватория.)

Одним из самых впечатляющих примеров взрывающихся галактик является NGC 1275 в созвездии Персея (сокращение NGC означает «Новый Генеральный Каталог», включающий тысячи туманностей). На рис. 16.8 приведена замечательная фотография этого объекта, полученная Р. Линдсом на Национальной обсерватории Китт Пик (США). Галактика NGC 1275 похожа больше на остатки сверхновой (например, на Крабовидную туманность), чем на галактику. К тому же она является мощным источником радиоизлучения и рентгеновских лучей.

РИС. 16.8. Взрывающаяся галактика NGC 1275. На этом уникальном снимке видно, как огромные количества газа выбрасываются из галактики NGC 1275 в созвездии Персея. (С разрешения Р. Линдса, Национальная обсерватория Китт Пик.)

Один из самых мощных радиоисточников южного неба связан с необычной галактикой NGC 5128. Как видно на рис. 16.9, эту галактику также буквально разрывает на части грандиозный взрыв. Процессы, которые приводят к тому, чтобы галактика разрывалась на части, пока совершенно неясны.

РИС. 16.9. Взрывающаяся галактика NGC 5128. При катастрофических процессах, в результате которых эта галактика разрывается на части, также испускается огромное количество радиоволн. Эта видимая в оптическом диапазоне галактика NGC 5128 связана с одним из самых мощных радиоисточников южного неба. (Обсерватория им Хейла.)

Стоящая перед теорией проблема разгадки процессов, приводящих к катастрофическим событиям в ядрах галактик, ещё больше усложнилась с открытием квазаров. Квазары (например, ЗС48, изображенный на рис. 16.10) – это голубые звездоподобные объекты, в спектрах которых наблюдаются огромные красные смещения. Есть даже несколько квазаров, красное смещение которых соответствует убеганию со скоростями, превышающими 90% скорости света! Опираясь на закон Хаббла, астрономы заключили в соответствии со значениями красного смещения, что квазары находятся чрезвычайно далеко от нас. Расстояния до них должны быть настолько большими, что они вообще не должны наблюдаться – так они были бы слабы. Но, как и в случае взрывающихся галактик, квазары, по-видимому, излучают фантастические количества энергии, источники которой пока не поддаются объяснению.

РИС. 16.10. Квазар ЗС 48. Квазары выглядят как голубые звёзды, но обладают огромными значениями красного смещения. Согласно закону Хаббла, это означает, что квазары – самые удалённые объекты, наблюдаемые во Вселенной. Будучи столь далеко от нас, они должны излучать огромные количества энергии, чтобы быть видимыми, – намного больше, чем излучают обычные галактики. (Обсерватория им. Хейла.)

В 1969 г. Д. Линден-Белл в Королевской Гринвичской обсерватории (Англия) занялся исследованием квазаров и взрывающихся галактик. Из весьма общих соображений он показал, что, независимо от механизма гигантского выхода энергии в ядрах галактик и в квазарах, источник этой энергии должен быть компактным и массивным. Как правило, масса объектов, выделяющих такое количество энергии, должна достигать 10 миллионов масс Солнца! А поскольку эти объекты должны иметь малые размеры, логически вытекает, что либо они уже являются чёрными дырами, либо станут чёрными дырами за очень короткий промежуток времени. Поэтому Линден-Белл сделал заключение, что с таинственными явлениями во взрывающихся галактиках и квазарах могут быть связаны массивные чёрные дыры.

Хотя массивные чёрные дыры, возможно, находятся в центрах галактик, трудно представить себе, как именно могут они выделять те огромные количества энергии, которые наблюдаются. В 1971 г. Линден-Белл и М. Дж. Рис из Кембриджского университета (Англия) показали, что массивная чёрная дыра в центре нашей Галактики была бы окружена огромным диском аккреции. В отличие от источника Лебедь Х-1, испускающего рентгеновские лучи, галактический диск аккреции должен был бы испускать огромное количество инфракрасного излучения. Любопытно отметить, что усилиями астрономов, в том числе Фрэнка Лоу из Аризонского университета (США), были действительно открыты мощные источники инфракрасного излучения в центре Галактики.

РИС. 16.11. Шаровое звёздное скопление. Шаровые скопления можно обнаружить почти во всякой галактике. Обычно в них содержится порядка 100 000 звёзд, и они движутся по сильно вытянутым эллиптическим орбитам вокруг ядра своей галактики. (Ликская обсерватория.)

Другой канал возможного высвобождения энергии массивными чёрными дырами – это механизм Пенроуза, обсуждавшийся в гл. 11. Вспомним, что если при падении в эргосфере на керровскую чёрную дыру тело распадается на части, то часть этого тела может быть выброшена обратно с огромной энергией. Астрономам хорошо известно, что в большинстве галактик имеются шаровые звёздные скопления. Такие скопления (снимок одного из них приведен на рис. 16.11) обычно содержат около 100 000 звёзд и движутся вокруг центра галактики, к которой они принадлежат, по очень вытянутым эллиптическим орбитам. Если в центре этой галактики имеется массивная чёрная дыра, то может случиться, что шаровое скопление случайно попадет в её эргосферу. В результате скопление разорвется на части, как показано на рис. 16.12. Если часть входящих в него звёзд упадет в дыру, то остальные могут быть с большой силой выброшены наружу. Возможно, что такой процесс, именуемый просачиванием сквозь эргосферу, и порождает «струю», наблюдаемую в таких галактиках, как М 87 (см. рис. 16.7) или в квазаре ЗС 273 (см. рис. 5.8).

РИС. 16.12. Просачивание через эргосферу. Если звёздное скопление попадает в эргосферу массивной чёрной дыры, оно разрывается на части. Под влиянием механизма Пенроуза часть звёзд может быть выброшена обратно, приобретя огромные скорости.

Хотя предположение, что в центре галактик находятся массивные чёрные дыры, привлекательно, следует подчеркнуть, что в поддержку этой гипотезы нельзя привести ни одного прямого факта наблюдений. Однако это не мешает ряду астрофизиков увлекаться довольно фантастическими спекуляциями. Например, была выдвинута ещё более фантастическая идея, что многие процессы, наблюдающиеся в галактиках и квазарах, связаны с белыми дырами. В гл. 14 были приведены весьма общие соображения, которые как будто полностью исключают возможность существования белых дыр. Здесь в первую очередь речь вдет о том, что существование белых дыр противоречит некоторым фундаментальным законам, в частности принципу причинности.

В 1975 г. Стивен Хоукинг в Калифорнийском технологическом институте отметил, что все физические законы формулируются на языке пространства и времени. Но именно эти последние понятия теряют смысл на сингулярности, где кривизна становится бесконечно большой. Поэтому в сингулярности теряют смысл и законы физики. Сингулярность пространства-времени не обязана подчиняться известным законам природы, и из «голой» сингулярности вещество и энергия могут истекать совершенно беспорядочно. Из этого удивительного открытия Хоукинга – принципа беспорядка -вытекает, что сингулярность должна выглядеть как белая дыра. Наличие в центре галактики «голой» сингулярности могло бы объяснить те таинственные явления, которые были открыты астрономами в последние годы.

В самом начале нашего века астрономы пришли к выводу, что не могут объяснить в рамках известных тогда физических законов, почему светит Солнце. Всё говорило о том, что Солнце должно было погаснуть много миллионов лет назад. Лишь после того, как получили развитие частная теория относительности, квантовая механика и ядерная физика, удалось свести концы с концами. Решение загадки источника солнечной энергии пришло только после открытия новых законов физики.

Сейчас перед наукой снова встала трудная проблема. Почти каждый день астрономы открывают в небе объекты, которые излучают энергию в таких количествах, которые как будто невозможно объяснить. Некоторые астрофизики обратились к самым экзотическим объектам, которые только знает сегодняшняя наука, – к массивным чёрным дырам, белым дырам и «голым» сингулярностям. Может быть, они идут по верному пути, но не исключено, что это лишь напрасная трата сил. История астрономии учит нас, что не следует отмахиваться от возможности открытия новых законов физики. Возможно, что лишь новое и более глубокое понимание физической действительности позволит астрономам понять природу квазаров и взрывающихся галактик.

17

ПЕРВИЧНЫЕ ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

В первые же годы космических исследований стало ясно, что одним из практических приложений этих исследований может стать космическая система связи. Всё, начиная от телефонных разговоров и до телевизионных программ, может быть ретранслировано в любую точку нашей планеты с помощью искусственных спутников, выведенных на околоземные орбиты. Поэтому учёные и инженеры, работающие в государственных и частных лабораториях, принялись за разработку устройств, необходимых для практической реализации этой идеи.

В середине 1960-х годов специалисты из лаборатории «Белл телефон компани» в Нью-Джерси (США) приступили к разработке весьма чувствительной антенны для приема сигналов от спутников связи «Эхо» и «Телстар». В 1965 г. Роберт У. Вильсон и Арно А. Пензиас провели ряд экспериментов с новой антенной, чтобы проанализировать все источники помех, которые неизбежны для всех радиоприемников и вообще электронных устройств (рис. 17.1). К их большому удивлению, они обнаружили наличие слабого шума, причины которого не поддавались объяснению. Ещё более удивительным был тот факт, что этот слабый фон приходил, по-видимому, из всех областей неба с одинаковой интенсивностью.

РИС. 17.1. Вильсон и Пензиас. Роберт У. Вильсон (слева) и Арно А. Пензиас (справа) стоят перед антенной, отражатель которой имеет форму огромного рупора, на территории лаборатории «Белл телефон компани» в Холмделе, Нью-Джерси. С помощью этой антенны Вильсон и Пензиас открыли 3-градусное фоновое излучение, которое представляет собой остывшее «эхо» Большого Взрыва. (С разрешения лаборатории «Белл телефон компани».)

Исследователи компании «Белл» не знали, что в Принстонском университете, всего в нескольких километрах от них, группа теоретиков, в которую входили Р. Г. Дикке, П. Дж. Э. Пиблз, П. Дж. Ролл и Д. Т. Уилкинсон, вела интересные расчёты. Исходя из высказанных ранее Толменом и Гамовым предположений, члены Принстонской группы рассматривали некоторые последствия гипотезы о Большом Взрыве. Если Вселенная начала существовать 18 миллиардов лет назад с первичного взрыва, то температура Вселенной на ранней стадии её существования должна быть чрезвычайно высокой. В частности, через 1 с после рождения Вселенной её температура должна была составлять около 10 миллиардов градусов. Принстонская группа применила здесь важный термодинамический закон: если что-нибудь (вроде газа) расширяется, то его температура обязательно падает. Значит, и температура Вселенной должна уменьшаться в ходе расширения Так, через два часа после своего рождения температура Вселенной, по-видимому, должна была понизиться до 100 миллионов градусов. Когда Вселенной было 100 лет, её температура спустилась уже немного ниже одного миллиона градусов. А сегодня, 18 миллиардов лет спустя после этапа первичного огненного шара, эта температура должна составлять около 3 градусов выше абсолютного нуля, т.е. 3 К.

Один из фундаментальных законов физики связывает температуру тел с характером испускаемого ими излучения. Так, тело, нагретое до 6000 К (такую температуру имеет поверхность Солнца), испускает главным образом видимый свет. Очень горячие объекты, температура которых достигает миллионов градусов, испускают рентгеновские лучи. Достаточно холодные объекты дают радиоволновое излучение. А если температура объекта равна 3 К, то он должен испускать радиоволны в основном с длиной волны от 1 мм до 100 см. Антенна компании «Белл» была настроена на 7,53 см, т. е. почти в точности на середину этого диапазона.

Узнав об этих расчётах, выполненных в Принстоне, Вильсон и Пензиас сразу же подумали, что таинственным источником обнаруженного ими шумового фона на самом деле может быть излучение остывшего первичного огненного шара. Были проведены наблюдения на разных длинах волн, и полученные результаты дали точки, уложившиеся на теоретическую кривую для температуры 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Теперь все считают, что это фоновое излучение является остывшим «отголоском» Большого Взрыва.

РИС. 17.2. Фоновое излучение. Приходящие со всех сторон неба слабые радиоволны соответствуют средней температуре Вселенной 2,7 К выше абсолютного нуля.

Одним из самых замечательных особенностей реликтового фона является его чрезвычайная изотропия. В любой момент дня или ночи, в любое время года радиоастрономы всегда принимают фоновое излучение одной и той же интенсивности со всех участков неба. С точки зрения астрофизика, это удивительно, так как нет явных причин, почему температура во Вселенной в одном направлении должна быть точно такой же, как и в любом другом направлении.

С различным успехом предпринимались разные попытки объяснить изотропию реликтового фонового излучения. Например, в конце 1960-х годов Чарлз Мизнер из Мэрилендского университета предложил теорию «Вселенной – смесителя» (миксмастер-модель), исходя из необычного класса решений уравнений Эйнштейна. Миксмастер-модель претерпевает резкие сжатия попеременно во всех направлениях; считают, что она должна описывать состояние Вселенной вскоре после Большого Взрыва. Хотя работа Мизнера и позволяет понять важные аспекты возможного поведения Вселенной на её раннем этапе существования, она не способна полностью описать изотропию 3-градусного фона. Самым главным здесь является то, что существование изотропии реликтового фонового излучения должно быть обусловлено какими-то физическими процессами.

В то время как изотропия 3-градусного фона убедительно свидетельствует об эффективных процессах перемешивания и выравнивания, которые происходили, когда возраст нашей Вселенной был менее 1 с, вся Вселенная не стала полностью однородной. Если бы 18 миллиардов лет назад вся Вселенная приобрела полную однородность, она оставалась бы однородной и теперь. Но в ней существуют скопления вещества в виде звёзд и галактик, планет и нас с вами. Значит, процессы, приводившие к выравниванию поля излучения, не были особенно эффективны в смысле выравнивания распределения и движения вещества во Вселенной.

В начале 1970-х годов выдающийся английский астрофизик Стивен У. Хоукинг (рис. 17.3) приступил к глубокому анализу явлений, сопутствовавших катастрофическому рождению Вселенной. Прежде всего он отметил, что в обычном процессе эволюции звёзд практически невозможно рождение чёрных дыр с массами менее 3 солнечных. Звёзды, масса которых меньше, чем 3 массы Солнца, умирая, становятся белыми карликами или нейтронными звездами, о чем говорилось в гл. 7. Основной причиной, из-за которой существует эта нижняя граница для массы обычной чёрной дыры, является то обстоятельство, что рождение чёрной дыры обусловлено исключительно действием гравитационного притяжения. Лишь в том случае, когда масса умирающей звезды превышает 3 солнечные массы, гигантский вес триллионов триллионов тонн вещества, давящий со всех сторон в направлении к центру звезды, преодолевает сопротивление всех остальных физических сил и вызывает появление чёрной дыры. Ничто не может стать чёрной дырой, если его масса меньше, чем 3 солнечные массы, просто потому, что в природе существуют силы (например, давление вырожденных электронного и нейтронного газов), которые всегда останавливают процесс коллапса.

РИС. 17.3. СтивенУ. Хоукинг (слева) обсуждает проблему первичных чёрных дыр с автором этой книги в Калифорнийском технологическом институте. (С разрешения Ч. Кейеса.)

Описанное традиционное представление о массах чёрных дыр установилось начиная с середины 1960-х годов. Во Вселенной, как мы её теперь знаем, чёрной дырой не могут стать, скажем, кирпич или арбуз. В этих телах слишком мало вещества, чтобы создавалось всесокрушающее гравитационное поле. Допустим, однако, что удалось сжать до чрезвычайно малого объёма тело с малой массой. Если бы было возможно сжать кирпич или арбуз так, чтобы их размеры стали чрезвычайно малы (меньше чем размеры электрона), то и эти объекты исчезли бы за своим горизонтом событий и получилась бы очень маленькая чёрная дыра. Хотя такие процессы сейчас явно невозможны, Хоукинг догадался, что если на раннем этапе существования Вселенной процессы в ней были такими энергичными, что смогли привести к изотропии фонового излучения, то их энергии оказалось бы достаточно, чтобы «спрессовать» множество крошечных чёрных дыр! Таким путём Хоукинг постулировал существование первичных чёрных дыр, которые могут обладать массами намного меньшими, чем масса Солнца. Непосредственно после Большого Взрыва мощные катастрофические процессы могли привести к появлению первичных чёрных дыр с массами даже в 1/100000 г. Поэтому возможно, что повсюду во Вселенной разбросаны многочисленные очень маленькие чёрные дыры.

К середине 1970-х годов Хоукинг пришел к выводу, что эти первичные чёрные дыры должны по своим свойствам сильно отличаться от обычных, больших чёрных дыр. Чтобы понять, почему это так, рассмотрим обычную чёрную дыру, родившуюся при смерти массивной звезды. Гравитационное поле такой чёрной дыры даёт о себе знать на миллионы километров в окружности. Даже очень далеко от чёрной дыры по орбитам вокруг неё могли бы обращаться планеты подобно тому, как они обращаются вокруг Солнца. Но в случае первичной чёрной дыры уже на расстоянии нескольких метров от неё пространство-время является практически плоским. Когда вы стоите в нескольких метрах от скалы, весящей миллиарды тонн, вы не ощущаете её притяжения. Аналогично если бы вы стояли в нескольких метрах от первичной чёрной дыры, вобравшей в себя миллиарды тонн вещества, вы едва ли ощутили бы гравитационное притяжение к ней.

Все чёрные дыры, вне зависимости от их массы, обладают сингулярностью, окруженной горизонтом событий. Во всякой чёрной дыре имеется точка, в которой кривизна пространства-времени обращается в бесконечность. В случае массивной чёрной дыры (например, образовавшейся при смерти звезды) кривизна пространства-времени при подходе к сингулярности возрастает постепенно. Но в случае первичной чёрной дыры рост кривизны происходит намного быстрее. Как видно из рис. 17.4, на протяжении очень короткого пути кривизна пространства-времени возрастает так, что от почти плоской области мы попадаем в очень сильно искривлённую. Это означает, что приливные силы -те самые, которые стремятся разорвать все тела на части, – вблизи первичной чёрной дыры должны быть чрезвычайно велики. Хотя гравитационное поле здесь в среднем слабое, приливные натяжения около маленькой чёрной дыры намного сильнее, чем около обычной чёрной дыры.

РИС. 17.4. Большие и маленькие чёрные дыры. Изменение кривизны пространства-времени происходит гораздо стремительнее около первичных чёрных дыр, чем около обычных (массивных) чёрных дыр. Вблизи первичной чёрной дыры приливные силы должны быть особенно велики.

Как отмечалось в конце гл. 14, физикам-теоретикам нередко оказывалось полезным представлять себе пустое пространство как состоящее из виртуальных пар частиц и античастиц. Пользуясь представлением о виртуальных парах частиц, намного проще описывать процессы рождения и уничтожения пар, наблюдаемые физиками-ядерщиками в их лабораториях.

Рассмотрим теперь пустое пространство в непосредственных окрестностях маленькой первичной чёрной дыры. Как отмечалось выше, в этой области пространства существуют мощнейшие приливные силы. Имеются все основания считать, что это пустое пространство содержит виртуальные пары частиц и античастиц. Исходя из этого факта, Хоукинг пришел к выводу, что величина этих приливных сил достаточна для того, чтобы придать виртуальным парам энергию, достаточную для их превращения в реальные пары частица-античастица, которые появятся в пространстве. Иными словами, маленькие чёрные дыры должны испускать большое количество частиц и античастиц!

Здесь вы можете сказать, что подобный процесс рождения вещества и антивещества чёрной дыры сможет привести к испусканию в окружающий мир частиц лишь в том случае, если он происходит вне горизонта событий чёрной дыры. Но следующий важный теоретический результат Хоукинга (полученный им в 1974 г.)-это доказательство того, что это совсем не обязательно. Даже если частицы родились внутри дыры, существует отличная от нуля вероятность, что они выйдут сквозь горизонт событий во внешнюю Вселенную. Чтобы понять, почему частицы могут проходить сквозь горизонт событий, нужно разобраться в некоторых основных представлениях квантовой механики.