ЭНЕРГИЯ ИЗ ЧЕРНЫХ ДЫР

ЭНЕРГИЯ ИЗ ЧЕРНЫХ ДЫР

Наш рассказ о дырах в пространстве и времени был бы неполон без упоминания об удивительном их свойстве — непрерывно выделять энергию. Такая их особенность является одним из проявлений не до конца еще разгаданной связи между временем и энергией. Подобная связь четко обнаруживается, когда существенными становятся квантовые свойства материи.

Прежде всего надо сказать несколько слов о пустом пространстве и его квантовых свойствах.

Согласно современным представлениям вакуум не является абсолютной пустотой, «совершенным ничем». Это «море» всевозможных так называемых виртуальных частиц и античастиц, которые не проявляются как реальные частицы. Но в нем все время непрерывно происходит рождение на короткое мгновение пар виртуальных частиц и античастиц, которые тут же исчезают. В реальные частицы они превращаться не могут, так как это означало бы появление реальной энергии, которой взяться в пустоте неоткуда. И только на короткий миг соотношение неопределенностей квантовой физики позволяет появиться частицам. Это соотношение утверждает, что произведение времени жизни виртуальной пары частиц t на их энергию Е порядка постоянной Планка h. Реальные частицы всегда можно убрать из какого-то объема пространства. Но виртуальные частицы в принципе неустранимы.

Таковы свойства пустоты. Если на вакуум наложить какое-либо сильное поле, то под его действием некоторые виртуальные частицы могут «набрать» достаточную энергию, чтобы стать реальными, энергию они почерпнут из внешнего поля. Так в сильном поле происходит рождение реальных частиц из вакуума за счет энергии этого поля.

Этот факт давно и хорошо известен; например, в сильном электрическом поле из вакуума рождаются такие заряженные частицы, как электроны и позитроны.

Обратимся теперь к черным дырам. В 1972 году Я. Зельдович и А. Старобинский рассмотрели процессы в вакууме вблизи вращающейся черной дыры. Дело в том, что при образовании черной дыры, когда сжимается вращающаяся масса, вокруг этой дыры, помимо гравитационного поля, тянувшего все тела к центру, возникает еще поле, увлекающее движущиеся тела во вращение вокруг нее — то есть возникает вихревое поле тяготения. Такие черные дыры называются вращающимися.

Я. Зельдович и А. Старобинский показали, что вблизи такой дыры происходит рождение квантов излучения за счет энергии вихревого поля тяготения. В результате вращательная энергия черной дыры постепенно переходит в излучение. Этот процесс очень медлен. Так, для черной дыры с массой в десять масс Солнца и максимально быстром вращении за все время существования Галактики (около 10 миллиардов лет) излучается всего несколько сотых долей эрга — совершенно ничтожная величина.

Осенью 1973 года Я. Зельдович и А. Старобинский рассказали о своих вычислениях С. Хоукингу, приехавшему в Москву. Тот, вернувшись домой, стал проверять выводы московских физиков своим математическим методом. «Когда я проделал вычисления, — вспоминал он, — я обнаружил, к моему удивлению и досаде, что даже невращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы в постоянном темпе. Сначала я подумал, что наличие этого излучения означает, что одно из использованных мной приближений неправильно… Однако, чем дальше я размышлял, тем более очевидным становилось, что использованные приближения справедливы… С тех пор вычисления были повторены многими разными методами другими людьми. Все они подтвердили, что черная дыра испускает частицы и излучение, как если бы она была горячим телом с температурой, которая зависит только от ее массы: чем больше масса, тем меньше температура».

Так было сделано замечательное открытие.

Попытаемся хотя бы приближенно пояснить процесс излучения. Весьма существенно, что он имеет квантовый характер. Виртуальные частицы в вакууме рождаются на некотором расстоянии друг от друга. В случае поля тяготения черной дыры одна частица может родиться вне горизонта, другая под горизонтом. Та, что родилась вне горизонта, может улететь в пространство, другая же будет падать в черную дыру и никогда не попадет к далекому наблюдателю. Вновь слиться и исчезнуть, как это случается с виртуальными частицами в обычном вакууме, они уже не могут. Так в пространстве возникает поток частиц от черной дыры. В этом случае энергия ее расходуется, а сама черная дыра уменьшается в размере. С. Хоукинг показал, что энергию она излучает так, как будто ее поверхность нагрета до определенной температуры.

Следует сразу же подчеркнуть, что температура черных дыр звездной массы совершенно ничтожна. Так, для черной дыры в 10 масс Солнца температура равна всего одной десятимиллионной доле градуса шкалы Кельвина. Чем больше масса, тем меньше температура, поэтому для сверхмассивных черных дыр температура их и вовсе пренебрежимо мала. И наоборот, чем меньше масса черной дыры, тем выше ее температура, тем быстрее идет процесс превращения ее массы в излучение. Как уже было сказано, черные дыры звездной массы излучают ничтожно мало. В естественных условиях они поглощают гораздо больше энергии в виде падающего в них излучения или разреженного вещества. Но достаточно малая черная дыра может излучать энергию в заметном темпе, и к ней как к источнику энергии следует отнестись серьезно. Так, черная дыра с массой миллиард тонн (масса небольшой горы) будет испускать сто миллионов миллиардов эрг в секунду на протяжении десяти миллиардов лет. Температура ее при этом будет равна около ста миллиардов градусов. Заметим, что это в десять тысяч раз больше, чем температура в недрах Солнца. Размеры рассматриваемой черной дыры сверх-микроскопические — они порядка размеров атомного ядра.

Если чрезвычайно медленный процесс потери энергии черной дырой звездной массы на квантовое излучение называют квантовым испарением, то излучение энергии маломассивными черными дырами испарением уже не назовешь, это вполне реальное свечение. В ходе такого свечения масса таких дыр уменьшается во всевозрастающем темпе. Когда она уменьшится до одного миллиона тонн, то температура излучения достигнет ста миллионов миллиардов градусов. Процесс излучения превратится во взрыв. Последние тысячи тонн взрываются за одну десятую долю секунды, превращаясь в энергию, что соответствует взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб. Таким образом, квантовое выделение энергии маломассивными дырами весьма эффективно. Но могут ли такие черные дыры возникать?

Как мы уже подчеркивали, искусственное их изготовление совершенно нереально, по крайней мере при современном уровне науки. А могут ли они возникнуть в природе?

Мы в дальнейшем увидим, что ответ на этот вопрос положителен. Черные мини-дыры могли возникать в начале расширения Вселенной. Почему же им не образоваться в сегодняшней Вселенной и их очень трудно изготовить даже в принципе в лаборатории?

Дело в том, что для этого необходимо сжать вещество до очень большой плотности. Чтобы превратить Солнце в черную дыру, его вещество необходимо сжать до ядерной плотности; а для превращения Земли в черную дыру потребуется сжать ее вещество до плотности, еще в сто миллиардов раз большей.

Для столь чудовищного сжатия требуются огромные силы. В массивных звездах эти силы обеспечивает их гравитация. В случае же малых масс гравитации явно недостаточно, и требуется большое внешнее давление.

Ни в природе, ни в современных лабораториях таких колоссальных сил нет.

Но если мы обратимся к прошлой истории Вселенной (об этом мы поговорим далее), то легко заметим, что в самом начале ее расширения, около 15 миллиардов лет назад, были условия, благоприятные для возникновения маленьких черных дыр. Действительно, тогда все вещество находилось в состоянии огромной плотности и никакого дополнительного сжатия не требовалось. Правда, это вещество расширялось с громадной скоростью. Поэтому для формирования черной дыры необходимо, чтобы в небольшом объеме либо скорость расширения вещества была меньше, либо вещества было несколько больше, чем в таких же соседних объемах. Тогда силы тяготения смогли бы затормозить расширение в этом объеме и через некоторое время обратить его в сжатие, после чего возникла бы маленькая черная дыра. На такую возможность в 1966 году указали Я. Зельдович и я, а в 1971 году С. Хоукинг.

Итак, во Вселенной на раннем этапе могли возникать маленькие черные дыры, причем их масса могла быть намного меньше масс звезд. Что же с ними стало в дальнейшем?

Их судьба зависела от массы. Малые черные дыры стали излучать квантовым образом. Как показывают расчеты, к нашему времени успели полностью «испариться» все черные дыры с массой меньше миллиарда тонн. Более тяжелые дожили до наших дней. Могут ли они быть обнаружены астрономическими методами, если действительно существуют во Вселенной?

Самым действенным способом их обнаружения являются попытки детектировать создаваемое ими жесткое квантовое излучение. Наблюдение таких квантов, приходящих из космоса, могло бы помочь обнаружить первичные черные дыры. Пока же они не обнаружены. И можно только сказать, что количество черных дыр с массой около миллиарда тонн во Вселенной должно быть в среднем не больше тысячи на каждый кубический световой год. Если бы их было больше, то общее их излучение было бы заметно. Число «тысяча», конечно, внушительное, но вспомним, что масса их ничтожна по сравнению с массой звезд.

Только будущие наблюдения покажут, существуют ли черные мини-дыры во Вселенной.

Из нашего предыдущего рассказа ясно, что в природе, вероятно, есть массивные черные дыры звездного происхождения, сверхмассивные — в центрах галактик и, возможно также, мини-дыры ранней Вселенной. В будущем все эти черные дыры могут использоваться как источник энергии.

Принципы использования их могут быть разными. Например, можно представить себе достаточное число черных мини-дыр, движущихся на орбитах вокруг Земли и излучающих квантовым образом. Но как вывести такую дыру на околоземную орбиту? Как вообще транспортировать черные дыры? Это ведь не обыкновенное тело. У черной дыры нет материальной поверхности. Ее нельзя зацепить канатом и отбуксировать в нужное место. К черной дыре не приделаешь реактивный двигатель, чтобы с его помощью ее перемещать. Наконец, ее не заключишь в какой-нибудь контейнер. Действительно, вспомним, что при массе, равной массе горы, размер ее соответствует размеру атомного ядра. Она будет свободно проходить через любые преграды, свободно прошивать толщу земного шара.

Как же можно все-таки заставить черную дыру двигаться в нужном направлении, увеличивать и уменьшать скорость этого движения по нашему желанию? Давайте пофантазируем об этом. Чем можно воздействовать на черную дыру?

Прежде всего, конечно, это поле тяготения. Черная дыра подвластна действию тяготения точно так же, как и любой вид физической материи. Она падает в этом поле с тем же ускорением свободного падения, что и любые другие тела, и так же искривляет траекторию своего движения. Ясно поэтому, что простейший способ заставить ее начать двигаться в нужном направлении — это использование поля тяготения.

Можно поступить, например, следующим способом (рис. 6). Подведем к черной дыре достаточно массивное тело, скажем, астероид с массой, больше ее массы. Сделать это можно с помощью установленных на нем реактивных двигателей. Черная дыра начнет падать в поле тяготения астероида в направлении к его центру масс. Подождем некоторое время, пока она приобретет достаточную скорость в направлении астероида, после чего его можно увести подальше в пространство, а черная дыра продолжит свой полет по инерции с приобретенной скоростью.

Конечно, при сравнительно скромной массе и реальных размерах астероида сообщаемое его полем ускорение будет невелико. Невелика может быть и приобретенная дырой скорость. Так, астероид размером в сто раз меньше Земли может разогнать черную дыру до скорости около ста метров в секунду.

Можно, однако, усовершенствовать этот способ. Надо заставить двигатели ракет, установленных на астероиде, работать так, чтобы придать ему ускорение в сторону «убегания» от черной дыры и равное по величине ускорению, с которым черная дыра падает на астероид. В этом случае система астероид — черная дыра может хоть и медленно, но постоянно ускоряться.

Подобным же образом можно и тормозить черную дыру, подводя к ней астероид с противоположной стороны, а также изменять направление ее движения. Если она выведена на орбиту вокруг Земли, то, подводя к ней с той или иной стороны массивные тела, можно корректировать ее орбиту полем тяготения этих тел.

Похожий на предложенный выше способ транспортировки черных дыр является и такой. Подведем к дыре массивный астероид и так организуем его маневр, чтобы он, подлетев к ней, уменьшил свою скорость и тем самым заставил дыру выйти на круговую орбиту вокруг него (рисунок 7а). После этого астероид можно медленно разгонять с помощью установленных на нем реактивных двигателей Если разгон достаточно плавный, то черная дыра будет следовать за астероидом, обращаясь вокруг него по орбите. Для осуществления этого процесса необходимо, чтобы ускорение астероида было заметно меньше, чем ускорение свободного падения на астероид черной дыры.

рис.7

Рассмотренные нами способы требовали использования достаточно массивных тел. Можно ли обойтись без этого?

Оказывается, можно. Один из таких способов показан на рисунке 7б. Ракета с работающими двигателями удерживается от падения в черную дыру. Поток выброшенных газов с большой скоростью проходит мимо нее, и лишь очень малая их часть попадает в нее. В результате вся система «ракета плюс черная дыра» приобретает скорость в сторону носа ракеты и все больше ускоряется. Чем ближе ракета расположена к дыре, тем с большей мощностью должны работать двигатели ракеты, чтобы удержать ее от падения. Значит, тем быстрее будет разгоняться вся система.

На рисунке 8 представлен еще один способ придания скорости черной дыре, на сей раз без поля тяготения и действия ракет.

рис.8

Можно дыру облучать направленным потоком излучения так, что оно будет поглощаться дырой и вместе с нею приобретать содержащийся в потоке импульс и придет в движение. Образно говоря, черная дыра здесь приходит в движение под действием давления излучения. Не правда ли, удивительная ситуация, когда давление излучения действует на пустоту, точнее, на сгусток тяготения, каким является черная дыра.

Давайте остановимся здесь в наших фантазиях (пока — фантазиях!). Основной целью этой главы было показать, что дыры в пространстве и времени не вечны. Излучение Хоукинга медленно их «испаряет».

Пока не совсем ясно, какое значение это имеет для теории времени. Однако понятно, что черные дыры — своего рода стоки реки времени — медленно затягиваются. Неясно, полностью ли исчезает в конце концов черная дыра в результате испарения. Так, советский физик академик М. Марков считает, что в конце должна оставаться элементарная черная дыра — частичка с массой, равной одной стотысячной доле грамма.

Эти и многие другие вопросы физики черных дыр — предмет интенсивного исследования теоретиков.