МИНИ‑ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Что касается столкновений с видимыми объектами, нам известно, что Солнце находится в безопасности на миллионы лет вперед. Ничто видимое не движется к нам с достаточно близкого расстояния, чтобы достичь нас в течение этого времени. Но, может быть, существуют объекты, которых мы не обнаружили и о существовании которых не знаем? Не может ли быть так, что один из них приближается и даже находится на пути к столкновению с Солнцем, не давая никакого предупреждения? Как обстоит дело с черными дырами размером с Cygnus X‑1, не с гигантскими черными дырами, которые находятся в центре галактик и шаровидных скоплений и остаются там, а с черными дырами, которые размером со звезду и разгуливают по орбитам вокруг галактических центров? Разумеется, Cygnus X‑1 обнаруживает свое присутствие большим количеством материи, которую поглощает у своей прекрасно видимой звезды‑компаньона. Предположим, однако, что черная дыра образовалась благодаря гибели одиночной звезды, без компаньонов.

Положим, что такая черная дыра одиночной звезды имеет массу в пять раз больше, чем у Солнца, а радиус, следовательно, 15 километров. Нет звезды‑компаньона, чье присутствие выдает ее; нет звезды‑компаньона, которая подпитывает ее массу и создает огромную радиацию рентгеновских лучей. Могут быть только легкие струйки газа между звездами, питающие ее, а это вызовет только крохотные искорки рентгеновских лучей, которые не будут особенно заметны на расстоянии.

Подобная черная дыра могла бы находиться в пределах светового года от нас и быть слишком маленькой физически и слишком инертной радиационно, чтобы ее можно было обнаружить. Она могла бы направляться прямо на Солнце, а мы бы не знали. Мы можем не знать, пока она не окажется почти рядом, и ее гравитационное поле не вызовет некоторые неожиданные возмущения в нашей планетарной системе, или пока не обнаружат очень слабый, но неуклонно усиливающийся источник рентгеновского излучения. Тогда мы будем иметь предупреждение о конце нашего света всего за несколько лет. Даже если она пройдет по Солнечной системе без столкновения, она может внести хаос в тонко настроенную небесную механику Солнечной системы.

Насколько вероятно, что это может случиться? Скорее всего, это нереально. Нужна очень большая звезда для превращения в черную дыру, а больших звезд не очень много. В Галактике на каждые 10 000 видимых звезд возможна только одна черная дыра размером со звезду. Если имеется один шанс из 80 000, что за триллион лет обычная звезда столкнется в космосе с Солнцем, то имеется только один шанс из 800 миллионов, что с ним столкнется черная дыра размером со звезду. Это может случиться и в следующем году, но шансов почти секстиллион к одному, что этого не произойдет, и было бы совершенно глупо беспокоиться об этом.

Отчасти доводы против этих катастроф столь велики, потому что число черных дыр размером со звезду так невелико. Вместе с тем хорошо известно, что среди любого класса астрономических тел более мелкие разновидности многочисленнее, чем более крупные. А не может ли быть так, что маленькие черные дыры гораздо многочисленнее, чем большие? Маленькая черная дыра могла бы не наносить такого ущерба при ударе, как большая черная дыра, вместе с тем маленькие черные дыры могли бы принести достаточный ущерб, потому что маленькие дыры так многочисленны, что вероятность столкновения может вырасти угрожающе.

Однако в нашей Вселенной представляется маловероятным найти черные дыры, которые были бы в несколько раз меньше Солнца. Большая звезда могла бы сжаться в черную дыру под действием собственного гравитационного поля, но представляется, что не существует компрессионных сил для образования черной дыры из чего‑либо меньшего, чем большая звезда.

Тем не менее это не исключает опасности. В 1974 году английский физик Стивен Хокинг предположил, что в ходе Большого взрыва вращающиеся массы материи и радиация произвели местами невероятное давление, которое в первые моменты образования Вселенной создало бесчисленные черные дыры различных масс, от звезды до крошечных объектов в килограмм и менее. Черные дыры массой меньше звезд Хокинг назвал «мини‑черными дырами».

Расчеты Хокинга показали, что черные дыры не абсолютно сохраняют всю свою массу, но у материи есть возможность ускользнуть из них. Очевидно, для пар субатомных частиц имеется возможность образовываться прямо на радиусе Шварцшильда и спешить прочь в противоположных направлениях. Одна из частиц погружается обратно в черную дыру, другая сбегает. Этот постоянный побег субатомных частиц заставляет черную дыру вести себя так, словно у нее высокая температура, и медленно испаряться.

Чем менее массивна черная дыра, тем выше ее температура и тем сильнее ее тенденция к испарению. Это означает, что, когда мини‑черная дыра в результате испарения сокращается, ее температура повышается и темп испарения неуклонно увеличивается до тех пор, пока остатки мини‑черной дыры со взрывной силой не разлетаются и она не исчезает.

Очень маленькие мини‑черные дыры не выдержали бы 15 миллиардов лет истории Вселенной и уже полностью бы исчезли. Однако, если бы у мини‑черной дыры масса была побольше, для начала хотя бы с айсберг, она бы была достаточно холодной, испарялась достаточно медленно и все еще существовала. Если бы за время существования ей удалось увеличить свою массу, что, вероятно, она могла бы сделать, то она охладилась бы еще больше и продлилось бы время ее существования[5].

Даже если допустить исчезновение самых малых (и наиболее многочисленных) мини‑черных дыр, все же может существовать очень много мини‑черных дыр с массой порядка от массы маленького астероида до массы Луны. Хокинг подсчитал, что в Галактике может быть порядка трех сотен мини‑черных дыр на кубический световой год. Если они придерживаются общего распределения материи, то большинство их находится в галактическом ядре. На окраине, где находимся мы, примерно тридцать мини‑черных дыр на кубический световой год. В этом случае среднее расстояние между мини‑черными дырами примерно в пятьсот раз больше, чем расстояние между Солнцем и Плутоном. Самая ближняя к нам мини‑черная дыра может находиться на расстоянии 1,6 триллиона километров.

Но даже на этом расстоянии (очень малом по космическим меркам) имеется достаточно места для маневра, и невелика вероятность, что дыра причинит ущерб. Мини‑черной дыре, чтобы нанести ущерб, нужно нанести прямой удар, в то время как для черной дыры размером со звезду этого не требуется. Черная дыра размером со звезду может миновать Солнце на существенном расстоянии, но, проходя по соседству с Солнечной системой, способна вызвать приливной эффект на Солнце, что может серьезно повлиять на его свойства. Она может также значительно возмутить орбиту Солнца с неблагоприятными последствиями; или, что касается Земли, гибельно возмутить ее орбиту.

С другой стороны, мини‑черная дыра может пройти по Солнечной системе вообще без какого‑нибудь заметного влияния на Солнце, крупные планеты и спутники. Насколько нам известно, некоторое количество мини‑черных дыр проскользнуло мимо нас, а несколько, может быть, двигаются среди планет, не причиняя нам никакого вреда.

Однако что случится, если мини‑черная дыра и впрямь попадет в Солнце? Что касается ее массы, то, насколько можно судить, это не оказало бы на него серьезного воздействия. Даже если бы мини‑черная дыра имела массу Луны, она составила бы только 1/26 000 000 массы Солнца, приблизительно то, что для вас десятая часть капли воды.

Но масса — это еще не все, что имеет значение. Если бы Луна направилась на столкновение с Солнцем, то, если бы она не двигалась очень‑очень быстро, она бы испарилась еще до попадания в Солнце. Даже если бы часть ее и сохранилась ко времени столкновения, она бы не проникла очень глубоко, не превратившись в пар.

Мини‑черная дыра, однако, не превращалась бы в пар и не испытывала бы на себе в каком‑либо смысле воздействия Солнца. Она бы просто пряталась, поглощала по пути массу, вырабатывая огромную энергию. Она бы росла всю дорогу и прошла бы сквозь Солнце, представляя собой на выходе гораздо более крупную мини‑черную дыру, чем на входе.

Что это может повлечь за собой для Солнца, сказать очень трудно. Если бы мини‑черная дыра нанесла скользящий удар и просто прошла через верхние слои Солнца, эффект мог бы и не быть губительным. Однако, если бы мини‑черная дыра нанесла удар Солнцу в лоб и пробилась бы через его центр, это подорвало бы тот регион Солнца, в котором происходят ядерные реакции и вырабатывается солнечная энергия.

Что бы тогда произошло, я не знаю; это зависело бы от того, как скоро Солнце «вылечит» себя. Возможно, производство энергии было бы нарушено, и, прежде чем оно бы возобновилось, Солнце бы совсем обессилело или взорвалось. Если это случится сравнительно неожиданно и скоро, в обоих случаях это будет для нас полной катастрофой.

Наконец, предположим, что мини‑черная дыра ударит по Солнцу со скоростью, относительно него сравнительно невысокой. Сопротивление, которое она встретит, проходя через материю Солнца, может замедлить, остановить ее, но, оставаясь в пределах Солнца, она опустится к его центру.

Что же тогда? Не будет ли она постепенно поглощать материю Солнца изнутри? Если так, снаружи для нас это будет незаметно. Солнце сохранит свою массу и свое гравитационное поле неизменными; планеты продолжат двигаться по своим невозмущенным орбитам; Солнце будет излучать свою энергию, словно ничего не происходит. Однако, несомненно, в какой‑то критической точке для поддержания Солнца в его настоящей форме материи окажется недостаточно. Оно целиком провалится в черную дыру с излучением огромного количества губительной радиации, которая уничтожит всю жизнь на Земле. Или, даже если мы представим себе, что каким‑то образом переживем губительное действие радиации, Земля тогда будет вращаться вокруг черной дыры, поглотившей всю массу Солнца (так, что орбита Земли останется без изменения), которая станет так мала, что ее нельзя будет увидеть, а о радиации нечего и говорить. Температура Земли упадет почти до абсолютного нуля, и это уничтожит нас.

А не могло ли быть так, что мини‑черная дыра попала в Солнце миллион лет назад и с тех пор продолжает действовать? Не может ли Солнце без всякого предупреждения вдруг разрушиться?

Мы не можем произнести категорическое «нет», но давайте вспомним, что даже при том количестве мини‑черных дыр, которое насчитал Хокинг, шансов попасть в Солнце очень мало, шансов для смертельных ударов по центру Солнца еще меньше, шансов ударить по Солнцу со скоростью относительно него такой малой, что это позволит мини‑черной дыре поглотить его, — еще меньше. К тому же расчеты Хокинга представляют нам разумный максимум. Вполне вероятно, что мини‑черных дыр гораздо меньше, может быть, даже значительно меньше. А это бы еще значительней снизило шансы.

Собственно, кроме расчетов Хокинга, иных призраков мини‑черных дыр вообще нет. Практически мини‑черных дыр никто не обнаружил, не было зафиксировано и никакого явления, которое можно было бы объяснить мини‑черными дырами. (Даже существование таких черных дыр размером со звезду, как Cygnus X‑1, связано со свидетельством, которое еще не убедило всех астрономов.) Много информации о Вселенной еще нужно приобрести до того, как мы установим реальную вероятность этого вида катастроф, но все же мы можем быть уверены, что она не в пользу катастроф. В конце концов, Солнце просуществовало пять миллиардов лет без разрушений, и нам также не случалось наблюдать какой‑нибудь звезды, вдруг подмигнувшей нам так, словно ее наконец поглотила добравшаяся до ее центра мини‑черная дыра.

АНТИМАТЕРИЯ И СВОБОДНЫЕ ПЛАНЕТЫ

Одиночная черная дыра — не единственный объект во Вселенной, который мог бы добраться до нас. Существует еще один вид объектов, который почти столь же опасен, но чье существование еще более проблематично.

Обычная материя вокруг нас состоит из крошечных ядер, окруженных электронами. Ядра образованы из двух видов частиц, протонов и нейтронов, каждый из которых несколько больше чем в 1800 раз превышает массу электрона. Таким образом материя вокруг нас состоит из трех типов субатомных частиц: электронов, протонов и нейтронов.

В 1930 году Поль Дирак (тот, который первым предположил, что гравитация может со временем ослабевать) дал теоретическое обоснование существования «античастиц». Мол, должна существовать, например, такая же частица, как электрон, но несущая противоположный электрический заряд. В то время как электрон несет отрицательный электрический заряд, его античастица должна нести положительный. Два года спустя американский физик Карл Дэвид Андерсон (р. 1905) действительно обнаружил этот положительно заряженный электрон. Он был назван «позитрон», хотя о нем также можно говорить как об «антиэлектроне».

В свое время были также открыты «антипротон» и «антинейтрон». В то время как протон несет положительный заряд, антипротон несет отрицательный. Нейтрон не несет заряда, не несет заряда и антинейтрон, но они противоположны по другим своим свойствам. Антиэлектрон, антипротон и антинейтрон могут сойтись вместе и образовать «антиатомы», а те могут превратиться в «антивещество» или «антиматерию».

Если антиэлектрон встретится с электроном, произойдет аннигиляция, то есть они уничтожат друг друга, свойства одного аннулируют противоположные свойства другого, а масса обоих преобразуется в энергию в форме гамма‑лучей. (Гамма‑лучи похожи на рентгеновские лучи, но имеют более короткие волны и, следовательно, более активны.) Точно таким же образом аннигилируют друг друга антипротон и протон, а также антинейтрон и нейтрон. В общем, антиматерия может аннигилировать эквивалентную массу материи, если они встретятся друг с другом.

Количество энергии, высвобождающейся в подобной «взаимной аннигиляции», огромно. Водородный синтез, производящий взрыв водородной бомбы и питающий энергию звезд, преобразует в энергию около 0,7 процента участвующего в реакции вещества. Взаимная аннигиляция же преобразует в энергию 100 процентов вещества. Таким образом, бомба вещество‑антивещество была бы в 140 раз мощнее водородной бомбы такой же массы.

Это имеет значение еще в одном аспекте: энергию возможно преобразовать в вещество, в материю. Однако поскольку для образования энергии требуется совместить частицу и античастицу, постольку преобразование в материю производит как частицу, так и соответствующую ей античастицу. Кажется, от этого никуда не деться.

В лаборатории физик может изготовить за один раз всего несколько частиц и античастиц, но в период после Большого взрыва энергия была преобразована в вещество в количестве, достаточном для образования целой Вселенной. Однако, если это было так, антиматерия должна была образоваться в таком же количестве. Поскольку это должно быть так, где же находится эта антиматерия?

На планете Земля существует только одна материя. Несколько античастиц могут быть созданы в лаборатории или существуют в космических лучах, но их количество ничтожно, и отдельные античастицы почти сразу же, как только встречаются с эквивалентными частицами, исчезают при взаимной аннигиляции, выделяя гамма‑лучи.

Игнорируя эти незначительные случаи, мы можем сказать, что Земля вся состоит из материи — и это тоже неплохо. Если бы я был наполовину из материи и наполовину из антиматерии, то одна половина тотчас бы аннигилировала другую, и не было бы никакой Земли, а только один обширный огненный шар гамма‑лучей. Собственно, совершенно ясно, что вся Солнечная система, вся Галактика, даже все локальные скопления являются материей. Иначе мы бы обнаружили гораздо большее образование гамма‑лучей, чем мы наблюдаем.

А быть может, некоторые галактические скопления являются материей, а некоторые — антиматерией? Быть может, во времена Большого взрыва образовались две вселенные, одна из материи, другая из антиматерии? Мы не знаем. Где антиматерия — это пока что нерешенная загадка. Если тем не менее существуют как галактические скопления, так и антигалактические скопления, то каждое сохраняет свою целостность, потому что расширяющаяся Вселенная держит их в отдельности на все больших и больших расстояниях.

Не может ли тогда быть так, что в результате того или иного случайного события часть антиматерии будет выброшена из антигалактического скопления и в конце концов попадет в галактическое скопление, или, наоборот, материя, выброшенная из галактического скопления, в конце концов попадет в антигалактическое скопление?

Антизвезда в нашей Галактике не могла бы быть признана таковой только по ее виду, вокруг нее должен был бы быть хороший межзвездный вакуум. Но даже тогда она бы испускала гамма‑лучи, так как частицы материи в космосе реагировали бы с частицами антивещества, испускаемыми звездой, и две группы частиц претерпевали бы взаимную аннигиляцию. Никаких подобных явлений пока не наблюдалось, но могут быть и в нашей Галактике более мелкие тела, более многочисленные и легче выбрасываемые, чем крупные, — объекты размером с планету или астероид, которые являются антивеществом.

Не может ли какой‑нибудь из них попасть в Солнце без предупреждения? В конечном счете, подобный объект слишком мал, чтобы увидеть его на большом расстоянии. Но даже если и можно было бы его увидеть вряд ли возможно признать его антивеществом до того, как произойдет попадание.

Тем не менее нет особых причин волноваться по этому поводу. Мы пока не располагаем свидетельствами, что ощутимых размеров глыбы антивещества странствуют по нашей Галактике. К тому же для их попадания в Солнце шансов не больше, чем для мини‑черных дыр.

И даже если подобная капля антивещества попадет в Солнце, урон, нанесенный ею, безусловно, будет более ограничен, чем в случае попадания в него мини‑черной дыры эквивалентной массы. Мини‑черная дыра перманентна и может расти за счет Солнца; глыба антивещества не может сделать ничего более, как аннигилировать часть Солнца, равную своей массе, и затем исчезнуть.

Остается все же еще третий класс объектов, которые могут оказаться по соседству с Солнечной системой, и вместе с тем их нельзя увидеть задолго до их приближения. Это не черные дыры, не антивещество, а вполне обычные объекты, которые избежали нашего внимания просто потому, что они малы.

Мы можем обосновать их существование следующим.

Я уже упоминал о том, что в любом классе астрономических тел число мелких членов класса превышает число крупных членов. Таким образом, мелкие звезды многочисленнее крупных.

Звезды, примерно равные по размеру Солнцу (которое является звездой средней величины), составляют только 10 процентов всех звезд, которые мы видим. Гигантских звезд с массой, раз в пятнадцать превышающей массу Солнца, намного меньше. Существует сотня подобных Солнцу звезд на каждую звезду‑гигант. С другой стороны, мелкие звезды с массой в половину массы Солнца и менее составляют три четверти звезд Вселенной, насколько можно судить по их распространенности в нашем окружении (Такие мелкие звезды трудно различимы, их не видно на больших расстояниях. Следовательно, мы получаем верное представление об их распространенности только при изучении нашего близкого окружения, где они достаточно близко, чтобы их увидеть. На больших расстояниях мы видим только крупные звезды и получаем неверное представление о составе Вселенной).

Тело, составляющее всего лишь около одной пятой массы нашего Солнца, обладает вполне достаточной массой, чтобы разрушить в своем центре атомы и начать ядерную реакцию. Такое тело едва нагревается до красного каления и может быть еле заметным даже на довольно малых звездных расстояниях.

Все же нет причины думать, что существует некий нижний предел в образовании таких объектов, и что этот нижний предел совпадает с массой, при которой начинаются ядерные реакции. Возможно, существует некоторое количество сформировавшихся «субзвезд», тела которых слишком малы, чтобы в их центре началась ядерная реакция, или она начинается, но степень разогрева не достигает красного каления.

Мы могли бы считать их планетами, если бы они были частью Солнечной системы, и, возможно, именно так нам и следует их рассматривать — как планеты, которые образовались самостоятельно и, не обязанные верностью никакой звезде, самостоятельно вращаются вокруг галактического ядра.

Очень вероятно, что подобные «свободные планеты» могут быть сформированы в гораздо больших количествах, чем сами звезды, и могут быть вполне обычными объектами — и все же оставаться невидимыми для нас, как оставались бы невидимыми планеты нашей Солнечной системы, такие близкие, не отражай они свет находящегося рядом Солнца.

Каковы же тогда шансы, что одна из этих свободных планет войдет в Солнечную систему и произведет разгром?

Самые крупные свободные планеты должны быть распространены по крайней мере так же часто, как самые мелкие звезды, но, учитывая обширность межзвездного пространства, это все‑таки не настолько часто, чтобы шансы их встречи с нами были велики. Более мелкие свободные планеты должны быть более многочисленны, а совсем мелкие еще более многочисленны. Отсюда следует, что чем меньше такой объект, тем больше его шансы на встречу с Солнечной системой.

Вполне возможно, что вторжение в Солнечную систему свободных планет размером с астероид гораздо более вероятно, чем вторжение проблематично существующих черных дыр или антиматерии. Но, вместе с тем, свободные планеты намного менее опасны, чем любой из двух упомянутых объектов. Мини‑черные дыры неопределенно долго поглощали бы материю, поражая Солнце, тогда как антиматерия аннигилировала бы материю. Свободные планеты, состоящие из обычной материи, просто бы испарились.

Если бы нам стало известно об астероиде, находящемся на пути к столкновению с Солнцем, мы, возможно, не сумели бы определить, вторгся ли он из межзвездного пространства или это один из наших местных объектов, которого мы до той поры случайно не замечали, или, может быть, объект, орбита которого возмущена в ходе столкновения.

Возможно, такие вторгающиеся объекты проходили через Солнечную систему бесконечно много раз и не нанесли никакого ущерба. Также и те мелкие объекты внешней Солнечной системы с подозрительно неправильными орбитами предположительно могут быть свободными планетами, захваченными в пути. К ним можно отнести внешний спутник Нептуна — Нереиду, внешний спутник Сатурна — Феб и любопытный, открытый в 1977 году объект — Хирон, который вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, лежащей между орбитами Сатурна и Урана.

Насколько нам известно, в сущности, Плутон и его спутник (последний открыт в 1978 году) могут быть крошечной, независимой «солнечной системой», которая была захвачена Солнцем. Подтверждение этого сделало бы необычный наклон и эксцентриситет орбиты Плутона менее удивительными.

Остается еще один возможный вид столкновений — столкновений с объектами в межзвездном пространстве: встречи с объектами настолько мелкими, как частички пыли или отдельные атомы. Межзвездные облака такой пыли и газа обычны в космосе, и Солнце не только может «сталкиваться» с подобными объектами, но, несомненно, не раз так и делало. Воздействие на Солнце этих столкновений незначительно, но для нас это не вполне так. Впрочем, это предмет, к которому я обращусь в книге позднее, при более подходящем случае.