Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

Але навіть якщо ми не можемо використати випромінювання від первісних чорних дір, які наші шанси взагалі їх спостерігати? Можна шукати гама-промені, що їх виділяють первісні чорні діри впродовж усього свого існування. Проміння від більшості їх буде дуже слабке, бо вони дуже далеко від нас, але загальне, від усіх них, може бути спостережне. І ми спостерігаємо такий гама-фон: рис. 7.5 показує, як спостережувана інтенсивність відрізняється на різних частотах (частота — кількість хвиль за секунду). Проте цілком можливо і, мабуть, так і є, що цей фон породжений, окрім того, що первісними чорними дірами, й іншими процесами. Пунктирна лінія на рис. 7.5 показує, як залежно від частоти гама-променів, що їх випускають первісні чорні діри, мала б змінюватися їхня інтенсивність, якби на один кубічний світловий рік припадало 300 чорних дір. Тому можна сказати, що спостереження гама-фону не засвідчують позитивно існування первісних чорних дір, але таки підтверджують, що у Всесвіті в середньому не може бути більш ніж 300 чорних дір на кубічний світловий рік. А це обмеження означає, що первісні чорні діри можуть становити щонайбільше одну мільйонну частку речовини у Всесвіті.

Рис. 7.5.

Первісних чорних дір так мало, що видається малоймовірним, що одна з них буде досить близько від нас, щоб її можна було спостерігати як окреме джерело гама-променів. Але з огляду на те, що гравітація притягує первісні чорні діри до будь-якої речовини, їх мало б бути набагато більше в галактиках і довкола них. Отож, хоча гама-фон вказує на те, що на один кубічний світловий рік не може бути більш ніж 300 первісних чорних дір, він нічого не каже нам про те, скільки їх у нашій Галактиці. Якби, наприклад, тут їх було в мільйон разів більше, тоді найближча чорна діра була б розташована на відстані близько мільярдів кілометрів, приблизно так само далеко, як Плутон[23], найдальша з відомих планета. Утім навіть на такій відстані однаково було б дуже важко виявити постійне випромінювання чорної діри, хоч би й воно становило десять тисяч мегаватів. Щоб спостерегти первісну чорну діру, треба виявити кілька гама-квантів, що надходять з одного напряму впродовж розумного проміжку часу, наприклад тижня. Інакше вони можуть бути просто частиною фону. Проте згідно з квантовим принципом Планка, кожен гама-квант має дуже високу енергію, бо гама-промені мають дуже високу частоту, тому, щоб дістати десять тисяч мегаватів, не треба багато квантів. А щоб спостерегти тих кілька квантів, що надходять з відстані як до Плутона, потрібен більший детектор гама-променів, ніж будь-який з побудованих досі. Ба більше, цей детектор повинен бути в космосі, бо гама-промені не можуть проникати крізь атмосферу.

Звісно, якщо чорна діра, розташована так близько, як Плутон, дійде до кінця свого життя і вибухне, то останній сплеск випромінювання легко буде виявити. Однак, якщо чорна діра випромінювала впродовж останніх десяти чи двадцяти мільярдів років, то шанс, що її прийде кінець через кілька років, а не впродовж декількох мільйонів років у минулому чи майбутньому, насправді дуже малий! Тому, щоб мати реальний шанс побачити вибух, перш ніж закінчиться ваш науковий грант, вам доведеться знайти спосіб, як виявити будь-які вибухи у межах близько одного світлового року. Насправді сплески гама-проміння з космосу виявили супутники, від початку сконструйовані, щоб стежити за порушеннями Договору про заборону ядерних випробувань. Вони, видається, відбуваються близько 16 разів на місяць і більш-менш рівномірно розподілені по небу. Це вказує на те, що ці гама-промені надходять з-за меж Сонцевої системи, бо інакше можна було б очікувати, що вони будуть сконцентровані в площині орбіт планет. Рівномірний розподіл також свідчить про те, що джерела випромінювання перебувають або досить близько до нас у нашій Галактиці, або відразу за нею на космологічних відстанях, бо інакше, знову ж таки, вони б концентрувались у площині Галактики. В другому випадку крихітні чорні діри не могли б виділити так багато енергії, скільки потрібно для сплеску, але якщо джерела розташовані за галактичними мірками близько, то це були, цілком можливо, вибухи чорних дір. Я б страшенно хотів, щоб так і було, але мушу визнати, що існують й інші можливі пояснення гама-сплесків, як-от зіткнення нейтронних зір. Спостереження у найближчі кілька років, зокрема за допомогою детекторів гравітаційних хвиль на кшталт ЛІГО, мають дати змогу нам встановити походження гама-сплесків.

Навіть якщо пошуки первісних чорних дір виявляться безрезультатними, що цілком можливо, це все одно дасть нам важливу інформацію про найраніші етапи розвитку Всесвіту. Якщо ранній Всесвіт був хаотичний чи нерегулярний, або якщо тиск речовини був низький, то можна було б очікувати утворення значно більшої кількості первісних чорних дір, ніж та межа, встановлена на основі наших спостережень гама-фону. Тільки тим, що ранній Всесвіт був дуже гладкий та однорідний, з високим тиском, можна пояснити, чому нема тої кількості первісних чорних дір, коли їх можна було б спостерегти.

Припущення про випромінювання з чорних дір стало першим прикладом передбачення, що ґрунтувалося на обох великих теоріях минулого століття: загальній теорії відносності й квантовій механіці. Спочатку йому був сильний спротив, бо воно порушувало прийнятий погляд, мовляв: «Як чорна діра може щось випромінювати?». Коли я вперше оголосив результати своїх розрахунків на конференції у Лабораторії Резерфорда — Еплтона, що поблизу Оксфорда, мені ніхто не повірив. Після закінчення мого виступу керівник секції Джон Дж. Тейлор з Королівського коледжу в Лондоні заявив, що це повне безглуздя. Він навіть написав про це статтю. Проте врешті-решт більшість науковців, зокрема й Джон Тейлор, дійшли висновку, що якщо загальна теорія відносності й теорія квантової механіки правильні, то чорні діри повинні випромінювати як гарячі тіла. Отож, хоча ми наразі не знайшли жодної первісної чорної діри, всі начебто погоджуються, що якщо ми її знайдемо, то вона виділятиме багато Рентґенових і гама-променів.

Наявність випромінювання чорних дір наштовхує на припущення, що гравітаційний колапс не такий остаточний і безповоротний, як ми собі гадали. Якщо в чорну діру впаде астронавт, маса її зросте, але зрештою енергія, еквівалентна тій додатковій масі, повернеться у Всесвіт у формі проміння. Отже, в певному сенсі, астронавт буде «перероблений». Але це був би кепський вид безсмертя, бо будь-якому особистому уявленню астронавта про час майже напевне настане кінець, коли його розірве всередині чорної діри! Частинки, що їх виділить чорна