Аннотация: Пара идей по обнаружению в дальнем космосе микроскопических черных дыр, если они существуют.
Как обнаружить микроскопические черные дыры в космосе.
Микроскопические ЧД - теоретические сверхплотные объекты, которые при массе как у астероида размером приблизительно с атом. Об их реальном существовании спорят, пока не ясно как их обнаружить экспериментально. Из-за резкого градиента поля тяготения они интенсивно взаимодействуют с вакуумом, излучая энергию как очень сильно нагретый объект в соответствии с расчетами Стивена Хокинга. При таких размерах у них очень маленькая излучающая поверхность, но температура соответствует гамма-диапазону. Такие источники излучения невозможно обнаружить с межзвездных расстояний, только с межпланетных, что сильно сужает возможности обнаружения. Даже если, по некоторым расчетам, их по несколько штук в каждом кубическом световом году, это слишком большой объем по сравнению с объемом планетной системы.
Кое-кто из астрофизиков предполагает, что первичные черные дыры (в том числе и мелкие) могли образоваться на ранних этапах существования Вселенной, когда плотность энергии и массы была гораздо значительнее сегодняшней.
Я скептически отношусь к существованию первичных черных дыр, хотя полностью не отвергаю возможность возникновения микроскопических ЧД в некоторых процессах. Но как же возможно обнаружить столь экзотические объекты?
В классическом представлении черная дыра - это страшный гравитационный провал, который жадно поглощает всё вокруг, может проглотить планеты и звезды. Так оно и есть, когда речь идет о больших дырах. Но специфическая особенность микроскопических ЧД именно в том, что они маленькие.
Казалось бы, если микроскопическая черная дыра встретится с нашей несчастной планетой то провалится до самого центра и там начнет ненасытно пожирать ее изнутри, разрастаясь, пока не пожрет полностью. Но нет!
Дело именно в излучении Хокинга. В нескольких шагах от ЧД это гигаватты на квадратный метр. Понятно, что первичные ЧД не могли разрастаться в космосе, поглощая газ, ведь такое излучение будет отгонять от них атомы газа и пыль. Но даже провалившись внутрь планеты они не смогут поглощать вещество. Давление излучения на близких расстояниях всё равно выше, чем давление в глубинах планеты или обычной звезды. При атомарных размерах это гигаватты на квадратный нанометр.
Получатся, что спрятавшись внутри планеты или звезды, такая ЧД может излучать миллиарды лет, не причиняя ей вреда?
Небольшое уточнение. Излучает не сама черная дыра, излучает вакуум в гравитационном поле вокруг нее. Излучение не могло бы соответствовать излучению черного тела из-за микроскопических размеров, поскольку размер ЧД сильно меньше длины волн видимого света. Но гравитационное поле вокруг горизонта событий протяженнее, поэтому на окраине может рождаться менее коротковолновое излучение.
В разговорах о черных дырах слово сингулярности часто используют как синоним. Но сингулярность это не сама ЧД, а теоретическая точка, скрытая внутри нее под горизонтом событий. В реальном мире никаких сингулярностей нет: они вне нашего времени.
Интересно представить как бы вела себя микроскопическая ЧД внутри планеты, летая внутри и могла ли затормозиться. Хотя при этом порой приходит ощущение, что трачу время зря, обдумывая поведение того, что не существует. Уж слишком они странные эти микроскопические ЧД...
Так как же их всё же обнаружить на межзвездных расстояниях?
Давление хокинговского излучения не позволит точечной ЧД эффективно поглощать вещество даже в ядре звезды. Но есть объекты большей плотности - нейтронные ядра звезд.
Микроскопическая ЧД утонет в ядре нейтронной звезды, в ее недрах давление может превзойти давление излучения. И тогда микроскопическая черная дыра начнет разрастаться. Процесс этот не мгновенный.
Но через некоторое время даже с межзвездных расстояний станет заметно, что с пульсаром происходит что-то странное.
Одиночный пульсар вдруг начнет нелинейно менять свой ритм, ускоряясь и меняя наклон оси и коллапсирует.
Надо сказать, что современная наука может измерять периоды пульсаров с удивительной точностью. А уж коллапс пульсара это мощное, более заметное событие.
Предлагаю назвать такое теоретическое явление аномальным коллапсом одиночных пульсаров; и если оно будет обнаружено то поможет обнаружению первичных ЧД. Если они существую, в чем я по-прежнему сомневаюсь.
Задача, надо сказать, сложная. Нужно отслеживать огромное число пульсаров и научится в промышленных количествах обнаруживать коллапсы нейтронных звезд, то есть старых неактивных пульсаров. Которых много, но они плохо видны.
Нейтронные звезды хороши для поиска мелких ЧД потому что у них мощное гравитационное поле, они могут притянуть их издалека.
Сейчас по изменению периода пульсации можно обнаружить падение на пульсар объектов планетарной и даже астероидной массы. Но астероид при падении будет мгновенно расплющен и размазан по поверхности, а вот черная дыра войдет глубоко. Характер удара будет заметно отличаться.
Это можно вскоре обнаружить уже на нынешнем уровне астрономических технологий.
Вот еще аргумент, который говорит об отсутствии мелких первичных ЧД либо об их невероятной редкости. Температура их с излишком достаточна для зажигания любой термоядерной реакции.
У эволюции звезд есть этапы, когда по мере выгорания одного типа топлива и повышения температуры, в реакцию вступают накопившиеся продукты предыдущей реакции. Но попадание вглубь звезды свергорячей зажигалки нарушило бы порядок, даже могло бы довести до преждевременного взрыва сверхновой.
Есть очень тусклые звезды - красные карлики, которые могут тлеть сотнями миллиардов лет и еще более тусклые коричневые карлики, которые подобны очень тяжелым планетам. Реакции там почти не идут из-за недостаточной температуры, а звезда почти полностью состоит из уплотненного водорода. Попадание в коричневый карлик микроскопической ЧД могло бы поджечь в нем реакцию.
Красные и коричневые карлики, вдруг взрывающиеся как сверхновые - явная аномалия, которая бы указывала на существование первичных ЧД. Но что-то я о таком не слышал.
А некоторый раздел химии заставил бы усомниться, что микроскопическая ЧД смогла бы безопасно жить в планете. Состав облака при формировании звезды с планетами указывает, что ядра многих планет (не только газовые) имеют внутри гидридное ядро. Под давлением гидриды могут сильно уплотняться и быть плотнее металлов, а внутри газовых гигантов и сам водород достаточно плотен под давлением. И представьте, если туда попадает сияющая зажигалка ЧД. Там зажгутся термоядерные реакции, от которых может сдетонировать вся планета?
Термоядерная детонация всей планеты послабее будет чем сверхновая, но в своей галактике всё равно можно увидеть.
А точно ли ЧД сразу провалится до дна? Никакая поверхность не удержит точечный объект массой в миллиарды тонн и размером как ядро атома. Но градиент ее гравитационого поля излучает. И дело не только в световом давлении, но и в нагревании окружающей материи. Вокруг нее возник бы раскаленный пузырь плазмы, который тормозил бы ее падение к центру планеты, но всё равно не остановил бы. А вот если ЧД проваливается в недра звезды то там тормозящий эффект больше за счет плотности окружающего пространства, которое разогревается от гамма-излучения. Многое зависит от массы ЧД и соответствующего излучения - чем меньше тем горячее. Поэтому можно представить такую ЧД которая за счет светового давления и разогревания окружающего пространства не могла бы утонуть даже в поверхности планеты. Так и каталась бы по шкворчащей поверхности, радиоактивно сияя? Но такие совсем маломассивные дырочки распались еще в первый миллиард существования Вселенной, если они были вообще.
Какие еще могут быть способы образования микроскопических черных дыр кроме малопонятных процессов в ранней вселенной?
Я пока не знаю, может ли приводить к образованию маломассивных черных дыр столкновение противоположно вращающихся аккреционных дисков двух сближающихся черных дыр звездной массы. Падающее на черную дыру вещество разогнано почти до скорости света, поэтому, теоретически встречные массы могли бы слиться, но достаточная для этого скорость, по релятивистскому закону сложения скоростей, только почти вплотную к горизонту событий. Новообразовавшаяся черная дыра малой массы скорее всего будет сразу поглощена большими черными дырами.
Даже если это происходит, то отдаленность редких событий не позволит современным детекторам гравитационных волн дополнительно зафиксировать поглощение микроскопических ЧД при слиянии больших.
Теоретически можно представить лобовое столкновение двух звездолетов, летящих на встречу друг другу с субсветовой скоростью. Учитывая релятивистский закон сложения скоростей, их скорости должны быть очень близки к световой.
Относительно друг друга они будут очень плоскими из-за лоренцева сокращения длины. Вплоть до того, что по соотношению размеров к массе достигнут параметров черной дыры. Этому поможет еще один релятивистский эффект - релятивистское линзирование. В результате получившийся объект не выпустит наружу даже их кинетическую энергию столкновения.
Теоретически, подобное может произойти даже при столкновении звездолета с неподвижным объектом вроде планеты, но там приближение к скорости света должно быть еще более невозможно безумным.
Кроме естественного происхождения можно еще рассматривать версии искусственного происхождения микроскопических ЧД во Вселенной. Какие-нибудь цивилизации могли их создавать для применения в энергетике или в качестве оружия. Хоть они почти бесполезны непосредственно против планет, не могут поглощать вещество обычной плотности, но если знать как применять то это страшное средство, способное нарушать устойчивость некоторых звезд.
Если микроскопические черные дыры вообще возможны, то я не сомневаюсь, что достаточно развитая цивилизация может создавать их. И в космосе эти ЧД могли остаться как реликты давно исчезнувших цивилизаций. Они могут пережить создателей и могут теперь бесхозные летать в космосе и представлять опасность.
Обнаружить их можно так же: выявляя аномальные взрывы звезд, противоестественные превращения нейтронных звезд в черные дыры или аномальные изменения их пульсаций.
Итак. Пока я не могу судить о том, могли бы микроскопические ЧД образоваться в первые мгновения Вселенной, не могу еще понять могут ли они образовываться (и остаться на свободе) при столкновении аккреционных дисков больших черных дыр. Более вероятным мне представляется искусственное происхождение микроскопических черных дыр, если они вообще возможны.