И есть ли предел тому, насколько маленькими они могут быть?
«Они обнаружили, что человек может расти так же голодно до света, как и до еды».
-Стивен Кинг
Когда вы обращаете свой взор к небу и исследуете глубины ночного неба, вы мгновенно вспоминаете, что существует целая Вселенная, полная чудес. Но в дополнение к метеорам, планетам, звездам, туманностям и галактикам, которые освещают Вселенную, существуют также формы материи, совершенно невидимые для наших глаз.
Я не говорю о холодном газе и пыли, которые мы не видим в видимом свете. Видите ли, эти штуки сделаны из тех же строительных блоков - протонов, нейтронов и электронов - что и мы. Даже если они могут не излучать (и даже поглощать) видимый свет, если мы посмотрим на правильные длины волн, мы тоже сможем их увидеть.
Когда мы направляем наши самые большие обсерватории на «темную» полосу пыли наверху, расположенную в направлении нашего галактического центра, мы видим вот что.
И тем не менее, даже если мы говорим только об обычном веществе там - веществе, из которого состоят звезды, планеты, газ, пыль, и вы и я - все еще есть источники, которые не излучают никакого света на любой длине волны. На самом деле они не могут, потому что по определению от них ничего не может ускользнуть.
Я говорю, конечно же, о черных дырах.
Мы знаем, что эти объекты существуют не только теоретически, но и наблюдательно. На самом деле, просто взглянув на центральную область нашей галактики, мы можем проследить орбиты звезд и обнаружить, что все они вращаются вокруг центральной массы, которая примерно в четыре миллиона раз массивнее нашего Солнца, но при этом не излучает света.
На самом деле, центры большинства галактик содержат сверхмассивные черные дыры, многие из которых более чем в тысячу раз больше монстра в центре Млечного Пути. Это одни из самых больших черных дыр во Вселенной, и считается, что они образовались в результате слияния и поглощения миллионов древних трупов мертвых массивных звезд.
Самые большие, яркие и массивные звезды, конечно, легче увидеть, когда вы смотрите на молодое звездное скопление. На самом деле вы можете подумать, что, поскольку они намного больше, они будут жить дольше, имея все это дополнительное топливо для сжигания, но на самом деле все наоборот!
Самые массивные звезды - звезды классов O и B - буквально в десятки тысяч раз ярче звезды, подобной нашему Солнцу, из-за того, что они сжигают свое топливо в десятки тысяч раз быстрее, чем быстро. Несмотря на то, что они могут быть в десятки или даже сотни раз массивнее нашего Солнца, они сжигают свое топливо так быстро, что их жизнь может составлять всего несколько миллионов (или всего несколько сотен тысяч) лет! И когда умирают самые массивные звезды, они не просто умирают в результате катастрофического взрыва сверхновой…
но ядро звезды также коллапсирует, оставляя после себя либо нейтронную звезду, либо черную дыру!
Вообще, сила гравитации сжимает звезду, втягивает ее внутрь и пытается заставить схлопнуться. Когда внутри ядра звезды происходит ядерный синтез, внешнее радиационное давление может уравновесить внутреннюю гравитационную силу, поддерживая ее. Даже когда ядерный синтез иссякнет, материя останется прочной, а атомы отлично справятся с коллапсом. В звезде, подобной нашему Солнцу (или даже в звезде, в четыре раза массивнее), когда ядерный синтез подходит к концу, ядро нашей звезды сожмется примерно до размера Земли, но не больше, поскольку атомы достигнут точки, в которой они отказаться двигаться дальше.
Это давление возникает из-за того, что для сжатия квантовых частиц требуется больше силы, чем способна оказать даже гравитация Солнца. Однако звезда, масса которой составляет более 400% массы нашей, превратится в сверхновую, а ее центральная область разрушится, минуя стадию атомов, и разрушится до ядра из чистых нейтронов! Нейтронная звезда размером не с Землю, а содержит нейтронов примерно в солнечную массу в сфере диаметром всего в несколько километров.
Даже несмотря на то, что в ядре осталась лишь часть первоначальной звезды, масса нейтронных звезд может варьироваться от примерно равной массе нашего Солнца до трехкратной массы. Но при массах выше этой даже нейтроны поддаются силе гравитации и сжимаются до размеров настолько малых, что свет не может выйти из них. На этом этапе мы превратились из нейтронной звезды в черную дыру!
Так какая же самая маленькая из известных черных дыр? Прямо сейчас есть три кандидата, некоторые из которых более надежны, чем другие.
IGR J17091-3624: Черная дыра в двойной системе, которую мы можем обнаружить из-за сильных звездных ветров, создаваемых системой двойной черной дыры! Вместо того, чтобы материя падала в черную дыру, примерно 95% того, что высасывается из звезды-компаньона, выбрасывается обратно в межзвездную среду. Безусловно, это черная дыра с малой массой, но установлено, что ее масса в три-десять раз превышает массу нашего Солнца
GRO J0422+32: Еще одна мерцающая двойная система, расположенная всего в 8 000 световых лет от Земли, и оценки массы сильно различаются. Некоторые ученые утверждают, что это нейтронная звезда с массой всего в 2,2 раза больше массы нашего Солнца; другие утверждают, что она примерно в четыре раза больше массы нашего Солнца, а третьи утверждают, что она достигает 10 солнечных масс. Без сомнения, жюри еще не вынесено, но если бы мне пришлось делать ставки на самую маленькую из известных черных дыр, то это был бы следующий кандидат…
XTE J1650-500: первоначально было объявлено, что его масса составляет всего 3,8 массы Солнца, но с тех пор оценки были пересмотрены, чтобы больше походить на 5-кратную массу нашего Солнца. Эта двойная система надежно испускает рентгеновские лучи из своего аккреционного диска, и по мере того, как мы узнаем все больше и больше об этом классе объектов, мы раскрываем взаимосвязь между излучением, испускаемым извне, и массой черной дыры внутри
Где бы ни находилась эта граница между нейтронной звездой и черной дырой - будь то 2,5 или 2,7 или 3,0 или 3,2 массы Солнца - вот где вы можете подумать что минимальная масса черной дыры может возникнуть. Но на самом деле есть еще три возможности, которые мы еще можем обнаружить!
1.) Слияния нейтронных звезд с нейтронными звездами! Это тот самый процесс, который производит большинство определенных очень тяжелых элементов, таких как золото во Вселенной, и он делает это, сталкиваясь вместе с двумя нейтронными звездами. Нейтронные звезды гораздо более распространены, чем черные дыры, и хотя их столкновения относительно редки, происходят примерно раз в 10 000-100 000 лет в галактике, вы должны помнить, что Вселенной более 10 миллиардов лет и содержит почти триллион галактик!
Вполне возможно, что при столкновении двух нейтронных звезд, даже если бы их масса сама по себе не преодолела порог образования черной дыры, результирующий процесс мог создать черную дыру ниже форма-из-массы сверхновой. Таким образом, есть большие надежды найти черную дыру массой в две с небольшим балла солнечной массы прямо в пределах нашей галактики, которая, вероятно, уже видела около 100 000 к 1 000 000 таких событий!
Но допустим, вас не устраивало то, что было вокруг сегодня, и вы хотели, чтобы ваши черные дыры были еще меньше. Что ж, хорошие новости для пациента: вам остается только ждать!
2.) Черные дыры со временем теряют массу! Из-за того, что Вселенная имеет квантовую природу, производя частицу-античастицу флуктуации все время как внутри, так и снаружи и на горизонте событий черных дыр, эти объекты не являются полностью статичными во времени. Хотя это происходит очень медленно, черные дыры испаряются благодаря процессу, известному как излучение Хокинга!
Это не поток частиц и/или античастиц, исходящих из черных дыр, а некий очень низкоэнергетический, почти постоянный поток излучения черного тела.
В течение огромных временных масштабов - что-то вроде 10^68 или 10^69 лет - эти черные дыры с наименьшей массой будут испаряться, уменьшаясь в массе сначала медленно, а затем невероятно быстро, теряя последние несколько тонн всего за микросекунды!
Так что, если вы хотите увидеть еще меньшую черную дыру, чем та, что есть во Вселенной сегодня, побудьте здесь некоторое время. И если вы хотите, чтобы они были меньше, то у меня для вас плохие новости.
3.) Вселенная могла родиться с микрочерными дырами, но это не так. Идея изначального Черные дыры восходят к 1970-м годам, и это блестяще. Видите ли, Вселенная когда-то была в горячем, плотном, однородном, быстро расширяющемся состоянии. Если бы тогда у вас была область, плотность которой была бы всего на 68 % выше средней, эта область автоматически схлопнулась бы в черную дыру, и если бы у вас было много таких маленьких областей, мы могли бы родить Вселенную, полную микро- черные дыры.
Но мы измерили величину флуктуаций плотности в очень ранней Вселенной и как они меняются в зависимости от масштаба, если смотреть от самых больших масштабов до самых маленьких измеримых.
Вместо того, чтобы быть на 68% выше среднего, типичные флуктуации всего на порядок больше 0,003%, что недостаточно для того, чтобы во Вселенной была хотя бы одна первичная черная дыра. Что еще хуже, так это то, что по мере того, как вы переходите к все меньшему и меньшему масштабу - а это то, что вам нужно, чтобы иметь микрочерную дыру - флуктуации чуть-чуть становятся меньше, что делает это практически невозможным. Если бы все было иначе, Вселенная могла бы быть полна ими; это просто не наша Вселенная.
И это история о самых маленьких черных дырах во Вселенной, от тех, что мы знаем, до тех, которые мы еще не нашли, до тех, которых нам просто нужно дождаться!