[Перевод] Спросите Итана: что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
Горизонт событий чёрной дыры — сферический, или сфероидальный участок, из которого ничего, даже свет, убежать не может. Но есть предсказание, что вне горизонта событий чёрная дыра испускает излучение.
Сложно представить, учитывая разнообразие форм, принимаемых материей во Вселенной, что миллионы лет в ней существовали только нейтральные атомы водорода и гелия. Возможно, примерно так же сложно представить, что когда-нибудь, через квадриллионы лет, погаснут все звёзды. Будут существовать только останки ныне такой живой Вселенной, включая и самые впечатляющие её объекты: чёрные дыры. Но и они не вечны. Наш читатель хочет узнать, как именно это произойдёт:
Что случится, когда чёрная дыра потеряет достаточное количество энергии из-за излучения Хокинга, и плотности её энергии уже не будет хватать для того, чтобы поддерживать сингулярность с горизонтом событий? Иначе говоря, что произойдёт, когда чёрная дыра перестанет быть чёрной дырой из-за излучения Хокинга?
Чтобы ответить на этот вопрос, важно понять, что на самом деле представляет собой чёрная дыра.
Анатомия очень массивной звезды в течение её жизни, достигающая кульминации в виде сверхновой типа IIa в момент, когда в ядре заканчивается ядерное горючее
Чёрные дыры в основном формируются после коллапса ядра массивной звезды, истратившей всё ядерное топливо, и переставшей синтезировать из него более тяжёлые элементы. С замедлением и прекращением синтеза ядро испытывает сильное падение давления излучения, которое только и удерживало звезду от гравитационного коллапса. В то время, как внешние слои часто испытывают выходящую из-под контроля реакцию синтеза, и взрывают исходную звезду до сверхновой, ядро сначала сжимается до нейтронной звезды, но если его масса оказывается слишком большой, то даже нейтроны сжимаются и переходят в плотное состояние, из которого возникает чёрная дыра. ЧД также может возникнуть, когда нейтронная звезда в процессе аккреции заберёт достаточно массы у звезды-компаньона, и перейдёт рубеж, необходимый для превращения в ЧД.
Когда нейтронная звезда набирает достаточно материи, она может схлопнуться в чёрную дыру. Когда ЧД набирает материю, у неё растёт аккреционный диск и масса, поскольку материя падает за горизонт событий
С точки зрения гравитации всё, что нужно, чтобы стать ЧД — это собрать достаточно массы в достаточно малом объёме, так, чтобы свет не смог убежать из определённого участка. У каждой массы, включая планету Земля, есть своя скорость убегания: скорость, которой требуется достичь, чтобы убежать от гравитационного притяжения на определённом расстоянии (к примеру, на расстоянии от центра Земли до её поверхности) от центра масс. Но если набрать достаточно массы для того, чтобы скорость, которую вам нужно было бы набрать на определённом расстоянии от центра масс, равнялась бы световой — тогда уже ничто не сможет убежать от неё, поскольку ничто не может обогнать свет.
Масса чёрной дыры — единственный фактор, определяющий радиус горизонта событий для невращающейся изолированной ЧД
Это расстояние от центра масс, на котором скорость убегания равняется скорости света — назовём его R — определяет размер горизонта событий чёрной дыры. Но то, что при таких условиях внутри находится материя, приводит к менее известным последствиям: вся она должна схлопнуться до сингулярности. Можно представить, будто существует такое состояние материи, которое позволяет ей оставаться стабильной и иметь конечный объём внутри горизонта событий —, но это физически невозможно.
Чтобы оказывать воздействие, направленное наружу, находящаяся внутри частица должна отправить частицу, переносящую взаимодействие, в сторону от центра масс к горизонту событий. Но эта переносящая взаимодействие частица также ограничена скоростью света, и, неважно, в каком месте внутри горизонта событий вы находитесь, все мировые линии заканчиваются в его центре. Для более медленных и массивных частиц всё ещё хуже. Как только появляется ЧД с горизонтом событий, вся материя внутри неё сжимается в сингулярность.
Внешнее пространство-время шварцшильдовской ЧД, известное, как параболоид Флэмма, легко подсчитать. Но внутри горизонта событий все геодезические линии ведут к центральной сингулярности.
И, поскольку ничто не может убежать, можно было бы решить, что ЧД вечна. И если бы не квантовая физика, это было бы именно так. Но в квантовой физике существует ненулевое количество энергии, присущее самому пространству: квантовый вакуум. В искривлённом пространстве квантовый вакуум приобретает немного иные свойства, чем в плоском, и нет регионов, где кривизна была бы выше, чем в окрестностях сингулярности чёрной дыры. Если сопоставить два этих закона природы — квантовую физику и пространство-время из ОТО вокруг ЧД — мы получим такое явление, как излучение Хокинга.
Визуализация квантовой хромодинамики демонстрирует, как пары частица/античастица возникают из квантового вакуума на очень малые промежутки времени в качестве последствий принципа неопределённости Гейзенберга
Если вы проведёте вычисления согласно квантовой теории поля в искривлённом пространстве, то получите удивительный ответ: из пространства, окружающего горизонт событий чёрной дыры испускается тепловое излучение чёрного тела. И чем меньше горизонт событий, тем сильнее кривизна пространства рядом с ним, и тем выше скорость излучения Хокинга. Если бы наше Солнце было чёрной дырой, его температура излучения Хокинга равнялась бы 62 нК. Если взять ЧД в центре нашей Галактики, масса которой в 4 000 000 раз больше, то тем температура будет уже 15 фК, всего 0,000025% от первой.
Композитное изображение из рентгеновского и инфракрасного диапазона, на котором видна ЧД в центре нашей Галактики: Стрелец A*. Её масса в 4 млн раз превышает солнечную, и она окружена горячим газом, испускающим рентгеновские лучи. А ещё она испускает излучение Хокинга (которое мы не в силах обнаружить), но при гораздо меньшей температуре.
Это значит, что мелкие ЧД испаряются быстрее, а крупные живут дольше. Расчёты говорят, что ЧД солнечной массы будет существовать 1067 лет до того, как испарится, ну, а ЧД в центре нашей галактики будет жить ещё в 1020 раз больше перед испарением. Но самое безумное во всём этом — то, что до самой последней доли самой последней секунды у ЧД будет сохраняться горизонт событий, вплоть до момента, когда её масса станет нулевой.
Излучение Хокинга неизбежно следует из предсказаний квантовой физики в искривлённом пространстве-времени, окружающем горизонт событий ЧД
Но последняя секунда жизни ЧД будет охарактеризована особенным, и очень крупным выбросом энергии. Одна секунда ей останется, когда её масса упадёт до 228 тонн. Размер горизонта событий в этот момент будет составлять 340 им, то есть 3,4 × 10–22: это длина волны фотона с энергией, превышающей всё, что удавалось пока получать на Большом адронном коллайдере. Но в эту последнюю секунду будет выпущено 2.05 × 1022 Дж энергии, что эквивалентно 5 млн мегатонн ТНТ. Будто миллион ядерных бомб взрываются одновременно в небольшом участке пространства — такова последняя стадия излучения чёрной дыры.
В процессе того, как чёрная дыра усыхает в массе и радиусе, её излучение Хокинга становится всё больше по температуре и мощности
А что же останется? Только исходящее излучение. Там, где до этого в пространстве существовала сингулярность, в которой масса, а также, возможно, заряд и угловой момент существовали в бесконечно малом объёме, теперь ничего нет. Пространство восстановлено до предыдущего, несингулярного состояния, после промежутка, казавшегося бесконечностью: такого времени достаточно, чтобы во Вселенной произошло всё то, что произошло в ней с самого начала, триллионы триллионов раз. Когда это впервые случится, во Вселенной уже не будет никаких звёзд или источников света, и не будет никого, кто мог бы присутствовать при этом потрясающем взрыве. Но никакого «предела» для этого не существует. ЧД должна испариться полностью. А после этого, насколько нам известно, не останется ничего, кроме исходящего излучения.
На кажущемся вечным фоне постоянной тьмы появится единственная вспышка света: испарение последней чёрной дыры во Вселенной
Иначе говоря, если бы вам удалось наблюдать испарение последней ЧД во Вселенной, вы бы видели пустое пространство, в котором нет никаких признаков активности уже 10100 лет, или более. И внезапно появится невероятная вспышка излучения определённого спектра и мощности, убегающего от одной точки в пространстве со скоростью в 300 000 км/с. И это будет последний раз в наблюдаемой Вселенной, когда какое-то событие омоет её излучением. Перед испарением последней ЧД, говоря поэтическим языком, Вселенная в последний раз скажет: «Да будет свет!»
Итан Сигель — астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы
