Пять возрастов Вселенной

Рождающиеся сверхмассивные черные дыры в центрах галактик — это самые громадные пожиратели звезд. Более маленькие предвестники этих сверхмассивных дыр образуются в плотных центрах новорожденных галактик, где имеется огромное множество сырья для их питания. Некоторая часть газа вблизи черной дыры имеет слишком большой кинетический момент, чтобы упасть прямо на дыру. Этот газ образует диск вокруг массивной черной дыры, во многом напоминающий диск вокруг Лебедя X _-1 разве что большего размера. Звезды, которые осмеливаются подойти к дыре слишком близко, ее приливные силы разрывают на куски и добавляют к диску. Огромное количество энергии, которое высвобождается в ходе этого процесса, мы можем наблюдать в виде квазара.

Гравитационное излучение в эпоху черных дыр

По мере того как разворачивается эпоха черных дыр, вращающиеся по своим орбитам астрономические системы теряют энергию из-за диссипативного действия гравитационного излучения. Поскольку такая потеря источника энергии вряд ли служит определяющей характеристикой повседневной жизни, начнем с аналогии. Вообразите, что вы натягиваете тонкий упругий лист на металлический обруч, а затем помещаете в центр этого листа тяжелый мяч. Мяч проваливается и образует впадину. Далее, подумайте о том, как катался бы по этому листу мраморный шарик. Если для начала должным образом его толкнуть, то мраморный шарик движется по кругу вокруг тяжелого шара. Проделав несколько орбит, он по спирали движется внутрь и, в конце концов, покрутившись, останавливается недалеко от низа впадины. Кинетическая энергия мраморного шарика теряется из-за сил трения между шариком и листом; энергия рассеивается, превращаясь в тепло и звуковые волны.

Аналогичное явление имеет место, когда черные дыры или звезды движутся по орбите вокруг друг друга. Масса вызывает местное искривление пространства. На наших диаграммах вложения искривленное двумерное пространство — аналогичное поверхности упругого листа — показывает, каким образом формируются расстояния между точками в искривленном пространстве. Около звезды кривизна пространства разрешает орбиту планеты и аналогична кривизне листа. Система планета-звезда также имеет одну особенность, аналогичную трению между листом и мраморным шариком: именно из-за этого трения мраморный шарик по спирали скатывается внутрь углубления. Гравитация и вправду создает эффект типа трения. Когда массивные тела движутся по кругу или совершают колебания, они создают чрезвычайно слабые возмущения или рябь в основной структуре пространства-времени. В процессе движения массивного тела в пространстве должна двигаться и кривизна пространства-времени, и это движение создает возмущения, которые распространяются через пространство-время. Этими возмущениями являются гравитационные волны. Они уносят энергию от массивных гравитирующих тел почти так же, как вибрации в упругом листе и колебания в воздухе уносят энергию от катящегося мраморного шарика.

Благодаря другому аналогичному процессу радиопередатчики могут транслировать радиопередачи. В радиопередатчике движутся заряженные частицы (электроны), которые создают возмущения в электромагнитных полях. Этими возмущениями являются радиоволны, переносящие музыку, спорт и прогнозы погоды по всей нашей планете. Электромагнитное излучение обусловлено движением электрических зарядов, а следовательно, электромагнитными силами, тогда как гравитационное излучение возникает из-за движения масс и гравитационной силы.

Из-за явной слабости гравитации количество энергии, переносимое гравитационными волнами, обычно очень мало. Однако если подождать достаточно долго, влияние этой крошечной утечки энергии становится существенным, в силу чего объекты, движущиеся по орбите, должны медленно смещаться по спирали внутрь. Разрушение орбит посредством гравитационного излучения обычно происходит мучительно медленно. В отсутствие других катастрофических событий Земля, например, смещаясь по спирали, врезалась бы в Солнце более чем через девятнадцать космологических декад.

Несмотря на свою медлительность, именно гравитационное излучение виновато в разрушении орбиты одной наблюдаемой астрономической системы — двойного пульсара. Эта двойная система состоит из пары нейтронных звезд, которые оборачиваются по орбите относительно друг друга каждые восемь часов. Они разделены миллионом километров — расстоянием, сравнимым с диаметром нашего Солнца. Диаметр самих нейтронных звезд всего двадцать километров, так что, по сравнению с размером, их разделяет довольно большое расстояние. Этот двойной пульсар служит для нас двумя невероятно точными часами. Радиоимпульсы, образующиеся в результате вращения одной из нейтронных звезд, определяют один тип часов. Нейтронная звезда, испускающая радиоимпульсы, называется пульсаром. Регулярные изменения импульсов, обусловленные орбитальным движением двух нейтронных звезд, служат часами второго типа. И первые, и вторые позволяют производить очень точные измерения времени, но при сравнении их показаний орбитальные часы выказывают явную тенденцию к забеганию вперед. Из-за гравитационного излучения орбита разрушается, и расстояние между звездами постепенно уменьшается. Это уменьшение орбиты, в свою очередь, вынуждает звезды вращаться вокруг друг друга быстрее, что еще больше ускоряет ход орбитальных часов (по сравнению с часами пульсара).

Орбита двойного пульсара раскручивается в точном соответствии с общей теорией относительности и сопутствующей ей идеей о том, что гравитационное излучение приводит к разрушению орбиты. Таким образом, двойной пульсар позволяет нам чрезвычайно точно измерить предсказания общей относительности. Джо Тейлор и Рассел Хале открыли эту систему в 1974 году. На протяжении двух следующих десятилетий они проводили тщательные измерения времени. Полученные ими результаты потрясающим образом совпали с предсказаниями общей теории относительности, за что в 1993 году им присудили Нобелевскую премию по физике.

Двойной пульсар проживет не слишком долго по сравнению с теми длинными временными эпохами, к которым мы уже привыкли. Всего через 250 миллиардов лет две нейтронные звезды завершат свое спиральное сближение и сольются воедино. В результате их гравитационного объединения образуется новая черная дыра вкупе с огромным выбросом гравитационного излучения. Таким образом, двойной пульсар исчезнет задолго до завершения эпохи звезд. Однако образующаяся в результате этого слияния черная дыра куда более долговечна и вполне способна дожить до шестьдесят пятой космологической декады.

Когда Вселенная вступает в эпоху черных дыр, сохраняются только те двойные «звездные» системы, которые составляют черные дыры. Так же, как двойной пульсар сжимает свою орбиту, все бинарные системы испытывают разрушение орбиты и финальное слияние, изобилующее фейерверками гравитационного излучения. Чтобы дожить до эпохи черных дыр, в начале своего существования двойная система должна быть разделена расстоянием, превышающим два световых года. Чтобы прожить дольше, двойным системам нужно еще большее разделение в начале, позволяющее пережить неумолимую утечку гравитационного излучения. К пятидесятой космологической декаде сохранившиеся бинарные системы изначально должно было разделять расстояние в 650 световых лет; чтобы пережить шестидесятую космологическую декаду, двойные системы в самом начале должны быть разделены расстоянием, превышающим размер Млечного Пути. Чтобы прожить до восьмидесятой космологической декады, двойная система из черных дыр в начале своего пути должна быть разделена расстоянием, превышающем всю видимую сегодня Вселенную.

Излучение Хокинга и гибель черных дыр

Черные дыры не абсолютно черные. На протяжении огромных периодов времени они чрезвычайно медленно излучают в космическое пространство тепло. Тепло — это разновидность энергии, а энергия эквивалентна массе. Таким образом, объект, генерирующий тепло, также должен и медленно терять массу. По мере того как утекает масса-энергия черной дыры, скорость потери ею тепла постепенно возрастает, в силу чего черная дыра не может существовать вечно. Ей суждено испариться, превратившись в ничто.