Что будет, когда исчезнет последняя чёрная дыра?
Долгое время физики считали чёрные дыры вечными тюрьмами. Казалось, что, если материя попала за горизонт событий, она останется там навсегда. Но в 1974 году Стивен Хокинг перевернул это представление. Он доказал, что чёрные дыры медленно теряют массу и в конце концов исчезают. Рассказываем, как работает этот механизм, почему гигантские дыры живут дольше микроскопических и как будет выглядеть последняя вспышка света во Вселенной.
Как вакуум «истощает» чёрные дыры
Согласно квантовой теории поля вакуум — это не пустота. Это кипящий бульон из частиц. В каждой точке пространства постоянно рождаются пары «виртуальных» частиц: частица и её античастица. Обычно они существуют мгновение, тут же сталкиваются и взаимно уничтожаются — аннигилируют, — возвращая энергию вакууму. Это происходит постоянно, и ничто живое не чувствует этих процессов.
Схема рождения частиц из вакуума и их аннигиляции
Всё меняется рядом с чёрной дырой. Гравитация там настолько сильная, что может разорвать эту пару до того, как частицы схлопнутся. Одна из частиц родившейся из вакуума пары падает за горизонт событий, а вторая не успевает упасть и улетает в космос. Для внешнего наблюдателя это выглядит так, будто сама чёрная дыра испустила частицу.
Плата за излучение
Здесь вступает в силу закон сохранения энергии. Улетевшая частица обладает положительной энергией, так как из виртуальной стала реальной. Чтобы баланс Вселенной сошёлся, упавшая в дыру частица должна внести «отрицательную энергию».
Поглощая такую частицу, чёрная дыра теряет часть своей массы. Получается парадокс: чем больше дыра поглощает таких отрицательных частиц, тем быстрее теряет массу.
Что будет, если чёрная дыра столкнётся с Землёй: хроника апокалипсиса
Парадокс размера чёрных дыр
Скорость испарения зависит от температуры чёрной дыры. И здесь физика работает очень необычно. Есть строгая зависимость: чем меньше масса чёрной дыры, тем выше её температура.
- Гигантские монстры в центрах галактик невероятно холодные. Их температура лишь на доли градуса выше абсолютного нуля. Они испаряются невообразимо медленно.
- Микроскопические дыры, если они существуют, должны быть раскалёнными и терять массу очень быстро.
Сейчас астрономы не видят испарения чёрных дыр по одной причине: космос слишком горячий. Температура реликтового излучения составляет 2,7 Кельвина. Это теплее, чем типичная чёрная дыра звёздной массы. Пока Вселенная горячее дыры, дыра поглощает извне больше энергии, чем отдаёт, и продолжает расти.
Процесс пойдёт вспять только через миллиарды лет, когда Вселенная расширится и остынет ниже температуры самих дыр.
Эра чёрных дыр: космология далёкого будущего
Если заглянуть в будущее на 10^40 лет вперёд, Вселенную будет не узнать. Звёзды давно погаснут. Галактики распадутся. Согласно гипотезам даже протоны могут начать распадаться. Наступит «Эра чёрных дыр» (The Black Hole Era). Это будет период абсолютной тьмы, где единственными «живыми» объектами останутся гравитационные сингулярности.
В этой пустоте чёрные дыры станут главными источниками энергии. Они будут медленно конвертировать свою колоссальную массу в слабое излучение Хокинга — потоки фотонов и нейтрино. Время жизни сверхмассивной чёрной дыры в центре Галактики составляет примерно 1 гугол (10^100) лет. Это настолько огромный срок, что нынешний возраст Вселенной по сравнению с ним — меньше мгновения.
Фейерверк энтропии
Самое интересное происходит в конце жизни чёрной дыры. Когда чёрная дыра испаряется до размеров астероида, а затем и до размеров атома, процесс ускоряется лавинообразно. Медленное тление превращается в яростный взрыв. В последнюю секунду своей жизни чёрная дыра выделяет энергию, равную взрыву миллионов ядерных бомб.
Что произойдёт в финале:
- Гамма-всплеск. Дыра выбросит поток жёсткого излучения с колоссальной энергией.
- Выброс частиц. Будут излучаться не только фотоны, но и массивные частицы Стандартной модели.
- Исчезновение. Дыра полностью прекратит существование, оставив после себя только излучение.
Механизм выброса гамма-излучения чёрной дырой
Астрофизики надеются зафиксировать такие взрывы уже сейчас. Если учёным удастся увидеть гамма-вспышку с определёнными характеристиками, это станет прямым доказательством теории Хокинга и существования первичных чёрных дыр — тех, что могли образоваться сразу после Большого взрыва.
В итоге
После того как взорвётся последняя сверхмассивная чёрная дыра, во Вселенной наступит Тёмная эра. Больше не будет событий, способных изменить структуру мира. Останется лишь «холодный суп» из фотонов с гигантской длиной волны, которые будут вечно лететь в расширяющейся пустоте, никогда не встречая друг друга. Энтропия достигнет максимума. Открытие Хокинга показало, что даже самые чудовищные гравитационные тюрьмы не вечны. В итоге всё, что было поглощено, вернётся в космос в виде тепла и света, растворившись в вечности.