[Перевод] Самая маленькая чёрная дыра во Вселенной

Они обнаружили, что в свете можно нуждаться так же, как в еде.
— Стивен Кинг

Когда вы смотрите вверх и проникаете в глубины ночного неба, вы сразу же вспоминаете о том, что существует целая Вселенная, полная чудес. Но в дополнение к метеорам, планетам, звёздам, туманностям и галактикам, освещающим Вселенную, есть и другие формы материи, полностью невидимые нашему глазу.

И я не говорю про холодный газ и пыль, незаметные в видимом диапазоне. Эти предметы сделаны из тех же строительных кирпичиков – протонов, нейтронов, электронов – что и мы. И хотя они могут и не испускать (и даже не поглощать) видимый свет, если мы будем наблюдать на нужных длинах волн, мы и их увидим.

Когда мы направляем лучшие обсерватории на «тёмные» полосы пыли, расположенные по направлению к центру Галактики, вот что мы видим:

И всё же, даже если мы толкуем про нормальную материю – из которой сделаны звёзды, планеты, газ, пыль, вы и я – всё равно найдутся источники, не испускающие никакого света ни на каких длинах волн. Они и не могут это делать, так как по определению, от них ничто не может убежать.

Я, конечно же, говорю о чёрных дырах.

Мы знаем, что эти объекты существуют, не только теоретически, но и из наблюдений. Просто посмотрев на центральный регион нашей Галактики, мы можем отследить орбиты звёзд и обнаружить, что они перемещаются вокруг центрального объекта, имеющего массу в четыре миллиона солнечных, который, при этом, не испускает света.

На самом деле, в центре большинства галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры, многие из которых в тысячи раз тяжелее монстра в центре Млечного пути. Они представляют крупнейшие из чёрных дыр Вселенной, и формируются, как считается, путём слияния и поглощения миллионов древних трупов мёртвых массивных звёзд.

Конечно, самые яркие и крупные, массивные звёзды, легче увидеть, если посмотреть на молодой звёздный кластер. Можно решить, что из-за того, что они больше других, то и живут они дольше, так как имеют больше запасов горючего, но на самом деле, верно обратное!

Самые массивные звёзды, классов О и В, буквально в десятки тысяч раз ярче, чем Солнце, из-за того, что они сжигают своё топливо в десятки тысяч раз быстрее. И хотя они имеют массу в десятки или сотни раз больше, чем Солнце, они сжигают своё топливо так быстро, что время их жизни может составлять лишь несколько миллионов (или даже несколько сотен тысяч) лет! А когда самые массивные звёзды умирают, они умирают не просто во взрыве сверхновой…

Ядро звезды также коллапсирует, и оставляет за собой либо нейтронную звезду, либо чёрную дыру!

Обычно гравитация работает на сжатие звезды, тянет её внутрь и старается сколлапсировать. Когда ядерный синтез происходит в ядре, давление от его идущего наружу излучения балансирует с гравитационным сжатием и сдерживает звезду. Даже когда ядерный синтез заканчивается, материя остаётся прочной вещью, и атомы неплохо сопротивляются коллапсу. В звезде типа Солнца (или даже в звезде в четыре раза массивнее) по окончанию ядерного синтеза ядро звезды сожмётся до размеров, сопоставимых с земным, но не далее, поскольку атомы дойдут до состояния, после которого они откажутся сжиматься.

Это давление получается из-за того, что квантовым частицам требуется большее усилие для их сжатия, чем способна произвести гравитация Солнца. Но звезда с массой, превышающей 400% массы нашей, превратится в сверхновую, а её центральный регион сколлапсирует, пройдя атомное состояние, и дальше до ядра из чистых нейтронов! Вместо размера Земли нейтронная звезда солнечной массы будет заключена в сферу диаметром в несколько километров.

И хотя в ядре остаётся лишь малая доля исходной звезды, масса нейтронных звёзд колеблется от солнечной аж до троекратной солнечной массы. Но для массы за этим пределом даже нейтроны поддаются силе гравитации, и сжимаются до размеров настолько малых, что свет не может убежать от них. На этом этапе мы переходим от нейтронной звезды к чёрной дыре!

Так какая же из известных чёрных дыр будет минимальной? В данный момент существуют три кандидата, и некоторые из них ближе к победе, чем другие.

IGR J17091-3624: чёрная дыра в двойной системе, которую мы можем обнаружить благодаря сильным звёздным ветрам, создаваемым двойной системой. Вместо того, чтобы падать в чёрную дыру, 95% материи, высасываемой со звезды-компаньона, вылетает в межзвёздное пространство. Это на самом деле чёрная дыра малой массы, но точность измерений даёт нам разброс от 3 до 10 солнечных масс.

GRO J0422+32: ещё одна мерцающая двойная система, расположенная всего в 8000 световых лет от Земли, и оценки её массы очень сильно варьируются. Некоторые команды считают, что это нейтронная звезда с массой всего в 2,2 раза больше солнечных; другие утверждают, что её масса ближе к 4-м солнечным, а ещё одни – к 10 солнечным. Окончательного решения пока нет, но если бы я делал ставки на самую маленькую из известных чёрных дыр, я поставил бы на этого кандидата.

XTE J1650-500: вначале было объявлено, что его масса составляет 3,8 солнечных, но с тех пор оценки изменились до 5 солнечных масс. Эта двойная система испускает рентгеновское излучение из аккреционного диска, и по мере изучения объектов этого класса мы открываем связь между испущенным излучением и массой самой чёрной дыры!

Где бы ни лежала эта граница между нейтронной звездой и чёрной дырой – будь это 2,5 или 2,7, или 3,0, или 3,2 солнечных массы – именно там, как вы могли бы рассуждать, и нужно искать минимальные чёрные дыры. Но существуют ещё три возможности, которые мы можем обнаружить!

1) Слияние нейтронных звёзд! Именно этот процесс приводит к появлению во Вселенной очень тяжёлых элементов, таких, как золото, и происходит он в результате столкновения двух нейтронных звёзд. Нейтронные звёзды встречаются гораздо чаще чёрных дыр, и хотя их столкновения редки, и случаются раз в 10 000 – 100 000 лет в галактике, если вспомнить, что Вселенной уже больше 10 миллиардов лет, и что в ней содержится почти триллион галактик.

Вполне возможно, что при столкновении двух нейтронных звёзд, даже если их масса не пересечёт этот лимит для формирования чёрной дыры, в результате всё равно появится чёрная дыра, с массой меньшей, чем у сформировавшихся после взрыва сверхновой. Так что есть надежда найти чёрную дыру массой чуть больше двух солнечных в нашей Галактике, поскольку она должна была видеть от 100 000 до 1 000 000 таких событий!

Допустим, вас не устроит масса имеющихся в наличии чёрных дыр и вы хотите сделать чёрную дыру ещё меньше. Хорошие новости: вам нужно лишь подождать!

2) Чёрные дыры со временем теряют массу! Поскольку природа Вселенной квантовая, чёрные дыры не являются статичными объектами из-за постоянного появления флюктуаций частица-античастица, происходящих как внутри, так и снаружи, и на горизонте событий чёрной дыры. И хотя это происходит довольно медленно, чёрные дыры испаряются благодаря процессу, известному, как радиация Хокинга.

При этом от чёрных дыр идёт не поток частиц или античастиц, а очень низкоэнергетическое и почти постоянное излучение чёрного тела.

На больших промежутках времени, порядка 10⁶⁸ или 10⁶⁹ лет, чёрные дыры наименьших масс испарятся, теряя свою массу поначалу медленно, а затем чрезвычайно быстро, испаряя последние несколько тонн за несколько микросекунд.

Так что, если вы хотите получить чёрные дыры ещё меньшей массы, чем есть сейчас, просто подождите. Ну а если они нужны вам прямо сейчас – у меня для вас плохие новости.

3) Вселенная могла родиться с микроскопическими чёрными дырами, однако не родилась. Идея первобытных чёрных дыр появилась ещё в 1970 годах, и она по-своему гениально. Вселенная когда-то была в горячем, плотном, однородном и быстро расширяющемся состоянии. Если в то время какой-нибудь регион был бы всего на 68% плотнее среднего, он автоматически схлопнулся бы в чёрную дыру, а если бы у вас было много подобных регионов, мы бы получили Вселенную, наполненную микроскопическими чёрными дырами.

Но мы измерили величину флюктуаций плотности в очень ранней Вселенной, и как она изменяется с масштабом – если спускаться с крупнейших масштабов вниз до самых мелких из измеряемых.

Вместо флюктуаций в 68% обычные колебания достигали мощности лишь в 0,003%, чего явно недостаточно для появления Вселенной с хотя бы одной первобытной чёрной дырой. Хуже того, если идти на всё уменьшающиеся масштабы, это становится практически невероятным. Если бы всё было по-другому, Вселенная была бы наполнена ими; но это просто не наша Вселенная.

Такова история мельчайших чёрных дыр во Вселенной, от известных нам до пока не найденных, и до тех, появления которых нужно просто подождать!