Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной

По закону сохранения энергии одна из пары виртуальных частиц будет обладать положительной энергией, а другая — отрицательной. Виртуальная частица с отрицательной энергией обречена на недолгую жизнь. Это связано с тем, что реальные частицы при обычных условиях всегда имеют положительную энергию. Поэтому она должна найти свою пару и аннигилировать. Однако гравитационное поле внутри черной дыры настолько сильно, что даже реальная частица может обладать в нем отрицательной энергией.

Поэтому при наличии черной дыры виртуальная частица с отрицательной энергией может попасть в нее и стать реальной. В этом случае ей больше не требуется аннигилировать со своей парной частицей. Покинутая ею парная частица также может попасть в черную дыру. Но поскольку она обладает положительной энергией, то может ускользнуть в бесконечность в виде реальной частицы. Для удаленного наблюдателя это будет выглядеть так, будто она испущена черной дырой. Чем меньше черная дыра, тем меньше расстояние, которое придется преодолеть частице с отрицательной энергией, чтобы стать реальной. Таким образом, интенсивность излучения будет больше и наблюдаемая температура черной дыры — выше.

По закону сохранения энергии одна из пары виртуальных частиц будет обладать положительной энергией, а другая — отрицательной.

Положительная энергия испускаемого излучения должна компенсироваться потоком частиц с отрицательной энергией, попадающих в черную дыру. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc² энергия эквивалентна массе. Поэтому приток отрицательной энергии в черную дыру уменьшает ее массу. По мере уменьшения массы черной дыры площадь ее горизонта событий сокращается, но это уменьшение энтропии черной дыры с лихвой компенсируется энтропией испущенного излучения, так что второй закон термодинамики не нарушается.

Взрывы черных дыр

Чем меньше масса черной дыры, тем выше ее температура. Поэтому по мере уменьшения массы черной дыры ее температура и интенсивность излучения растут. Следовательно, она теряет массу еще быстрее. Что происходит, когда масса черной дыры становится бесконечно малой, не совсем ясно. Наиболее разумное предположение заключается в том, что она полностью исчезнет в грандиозном финальном всплеске излучения, эквивалентном по мощности взрыву миллионов водородных бомб.

По мере уменьшения массы черной дыры ее температура и интенсивность излучения растут.

Черная дыра с массой, в несколько раз превосходящей массу Солнца, должна иметь температуру, равную всего одной десятимиллионной доле градуса выше абсолютного нуля. Это гораздо меньше температуры микроволнового излучения, заполняющего Вселенную (около 2,7 градуса выше абсолютного нуля), поэтому такие черные дыры должны излучать меньше энергии, чем поглощают, хотя и это очень мало. Если Вселенная обречена расширяться вечно, со временем температура микроволнового излучения снизится и станет меньше температуры такой черной дыры. Тогда черная дыра будет поглощать меньше энергии, чем излучает, и начнет терять массу. Но даже в этом случае ее температура будет настолько мала, что на полное испарение понадобится около 10⁶⁶ лет. Это гораздо больше возраста Вселенной, составляющего всего около 10¹⁰ лет.

С другой стороны, как вы узнали из прошлой лекции, могут существовать первичные черные дыры с гораздо меньшими массами, образовавшиеся в результате коллапса неоднородностей на самых ранних этапах эволюции Вселенной. Такие черные дыры должны иметь более высокую температуру и испускать излучение гораздо интенсивнее. Время жизни первичной черной дыры с начальной массой в миллиард тонн должно приблизительно равняться возрасту Вселенной. Первичные черные дыры с начальными массами меньше этого значения должны были уже полностью испариться. Однако первичные черные дыры с чуть большей массой должны до сих пор испускать излучение в виде рентгеновских и гамма-лучей. Эти лучи аналогичны световым, но имеют гораздо более короткие длины волн. Такие черные дыры не заслуживают эпитета «черные». Они раскалены добела и излучают энергию с мощностью около десяти тысяч мегаватт.

Время жизни первичной черной дыры с начальной массой в миллиард тонн должно приблизительно равняться возрасту Вселенной.