Эйнштейн, Хокинг и «супермонстр» в 40 тонн...

ПРОДОЛЖЕНИЕ. ПРЕДЫДУЩЕЕ ЗДЕСЬ. НАЧАЛО ЗДЕСЬ

Позволим себе ненадолго отойти от хронологии жизни Альберта Эйнштейна. Причина проста: история великого физика не закончилась вместе с его биографией. Созданная им общая теория относительности и сегодня остаётся одним из главных инструментов, с помощью которых учёные пытаются понять самые загадочные объекты и прошлой, и нынешней Вселенной...

Особенно интересно наблюдать, что происходит там, где теория Эйнштейна встречается с квантовой физикой — другим великим научным достижением XX века. Чёрные дыры оказались именно такой «точкой встречи». Посему прежде чем вернуться к последним страницам нашей истории об Эйнштейне, посмотрим на одно из актуальных исследований, которое показывает: спор, начатый физикой прошлого столетия, продолжается и сегодня — уже на границе наших представлений о пространстве, времени-материи. Когда Альберт Эйнштейн в ноябре 1915 года завершал создание общей теории относительности, он вряд ли мог представить, до каких необычных следствий когда-нибудь доведут его уравнения физики XXI века. В истории об Эйнштейне мы уже подошли к тому моменту, когда гравитация перестала быть просто ньютоновской силой притяжения. В новой картине мира она превратилась в искривление пространства-времени. Материя сообщала последним, как им искривляться, а искривлённые пространство-время определяли движение материи. Из той, казалось бы, чрезвычайно абстрактной конструкции выросла практически вся динамика теорий чёрных дыр. Уже в 1916 г. немецкий физик Карл Шварцшильд нашёл точное решение уравнений Эйнштейна для сферически симметричного массивного тела. В формулах появилась граница, которую позднее назовут горизонтом событий. Само понятие чёрной дыры тогда ещё не существовало в современном смысле, однако математический фундамент был заложен именно теорией Эйнштейна. Прошёл век — и наследники той теории обсуждают уже совсем неожиданный объект: чёрную дыру массой всего около сорока тонн, скрытую внутри звезды:

Не сорока солнечных масс!
Не сорока масс Земли.
И даже не массы астероида.
Примерно 40 000 килограммов — величина совершенно ничтожная по астрономическим меркам.

Чёрная дыра внутри звезды: Эйнштейн против Хокинга?

И тем не менее расчёты показывают: при очень специфических условиях подобный объект теоретически способен не только существовать, но и постепенно расти. Работа, опубликованная в сентябре 2026 года группой индийских физиков, посвящена так называемым эндопаразитическим чёрным дырам. Название звучит почти биологически — и в нём действительно есть определённая аналогия с паразитом. Такая чёрная дыра существует не самостоятельно в космосе, а — глубоко внутри другого объекта, — например, белого карлика или нейтронной звезды. Это пока не наблюдаемый объект, а теоретическая модель. Учёные исходят из предположения, что некоторые частицы тёмной материи могут быть чрезвычайно тяжёлыми. Пролетая через звезду, такие частицы способны взаимодействовать с её веществом, терять энергию и постепенно оседать ближе к центру.
Если тёмная материя относится к так называемому асимметричному типу — то есть её частицы не уничтожают друг друга при встрече так, как частица и античастица, — вещество может накапливаться очень долго. Концентрация становится всё выше. Поперву частицы удерживаются гравитацией звезды. Затем собственная гравитация скопления играет всё более заметную роль. И наконец, при определённых условиях тёмное ядро может испытать гравитационный коллапс. Возникает крошечная чёрная дыра. И здесь начинается самое интересное...
Современная физика сталкивает друг с другом два великих направления XX века — теорию гравитации Эйнштейна и квантовую физику. Разумеется, никакого буквального спора здесь нет. Эйнштейн умер в 1955 году, когда Стивен Хокинг был ещё подростком. Но — в судьбе маленькой чёрной дыры словно сталкиваются две физические картины мира. Общая теория относительности говорит: если материя оказывается за горизонтом событий, гравитация удерживает её. Квантовая теория добавляет совершенно неожиданный эффект. В 1974 г. Стивен Хокинг показал, что чёрные дыры должны иметь температуру и способны испускать излучение. В результате они постепенно теряют энергию, а значит — и массу. Это получило название излучения Хокинга.

​

Для огромной астрофизической чёрной дыры процесс практически незаметен. Чем массивнее дыра, тем ниже её температура и тем медленнее она испаряется. Но для крошечных чёрных дыр ситуация обратная. Чем меньше масса — тем интенсивнее квантовое испарение. Поэтому очень маленькая чёрная дыра в пустом пространстве должна исчезнуть чрезвычайно быстро. Считается, например, что первичная чёрная дыра с массой порядка 1012 кг (триллион кг) имела бы время жизни, сопоставимое с возрастом Вселенной. Значительно более лёгкие первичные чёрные дыры, если они действительно возникали вскоре после Большого взрыва, к нашей эпохе в большинстве подобных моделей уже испарились бы. И тут возникает парадоксальный вопрос: «Как же может существовать объект массой всего 40 тонн?» — Ответ исследователей: потому что он находится не в пустоте.

Чёрная дыра размером меньше атома?

Представим чёрную дыру в центре чрезвычайно плотной звезды. На неё одновременно действуют два противоположных процесса. Первый процесс уменьшает её массу: излучение Хокинга → испарение. Второй увеличивает: поглощение вещества → рост. Причём питанием может служить не только обычное звёздное вещество — протоны, нейтроны и электроны, — но и продолжающие поступать в центр частицы тёмной материи. Получается своеобразное космическое перетягивание каната. Если испарение сильнее — чёрная дыра исчезает. Ежели поступление вещества сильнее — начинает расти. А при почти точном равновесии её масса некоторое время может оставаться примерно постоянной.  Именно включение постоянного притока тёмной материи существенно изменило оценки нижней границы массы такого объекта. Авторы новой работы рассчитывали одномоментно три процесса: аккрецию обычного звёздного вещества, излучение Хокинга и дополнительное питание тёмной материей. Они также учитывали, что для самых маленьких чёрных дыр обычное гидродинамическое описание аккреции перестаёт работать, и поглощение отдельных частиц приходится рассматривать уже с учётом квантовых эффектов. Результат оказался неожиданным.
Если маленькая чёрная дыра находится внутри звезды, но дополнительный поток тёмной материи не учитывать, она должна достигнуть достаточно большой массы, прежде чем поглощение окружающего вещества сможет уверенно победить испарение. В некоторых моделях соответствующая граница находится в пределах около 10 миллиардов килограммов. Но — если чёрная дыра продолжает получать тёмную материю, баланс резко меняется. Особенно интересен центр нашей Галактики, где предполагаемая плотность тёмной материи значительно выше, чем в окрестностях Солнца.
Для белого карлика в районе галактического диска минимальная масса способной продолжать рост чёрной дыры получается порядка десяти тысяч тонн. А в богатой тёмной материей области близ центра Млечного Пути расчётный предел способен опуститься приблизительно до сорока тонн. Для нейтронных звёзд оценки отличаются: при аналогичных условиях минимальная масса получается порядка сотен тонн. Именно отсюда и появилась эффектная цифра — 40 тонн.
Но здесь особенно важно не превращать физику в сенсацию. Учёные не нашли сорокатонную чёрную дыру. Ни телескоп, ни гравитационный детектор её не зарегистрировали. Исследователи показали другое: в рамках рассматриваемой модели существуют параметры тёмной материи и звёздной среды, при которых чёрная дыра с начальной массой примерно 4×104 кг (около 40 тонн) способна избежать быстрого испарения и продолжить рост.
Особенно трудно примирить подобную массу с нашим бытовым представлением о размерах. Сорок тонн — масса тяжёлого грузовика. Но чёрная дыра такой массы вовсе не была бы объектом размером с грузовик. По формуле радиуса Шварцшильда радиус горизонта событий такой сорокатонной чёрной дыры составлял бы всего около 6 × 10⁻²³ метра — величину немыслимо меньшую размеров атомного ядра. То есть её характерный размер оказался бы во много миллионов раз меньше протона. Здесь особенно хорошо видно, насколько необычен мир, выросший из уравнений Эйнштейна. Объект может весить как большая машина — и при этом иметь горизонт событий настолько малый, что привычные атомные масштабы рядом с ним выглядят огромными.

Когда «паразит» начинает съедать хозяина. Эйнштейн бы удивился…

Если маленькая чёрная дыра преодолела опасный начальный этап и принялась устойчиво набирать массу, события могут приобрести драматический характер. Чем она становится массивнее, тем слабее относительная роль излучения Хокинга. Одновременно увеличиваются возможности аккреции (то есть постоянного притока и поглощения окружающей материи…). Возникает положительная обратная связь.

Больше масса — эффективнее поглощение вещества.
Больше поглощённого вещества — ещё больше масса.

В конечном счёте эндопаразитическая чёрная дыра теоретически способна постепенно поглощать собственную звезду! Подобные сценарии исследуются уже не первый год. Релятивистские расчёты показывали, что небольшая чёрная дыра внутри нейтронной звезды при определённых условиях действительно может расти, в конце концов поглотив приличную часть звезды или приведя её к коллапсу. Получается удивительная метаморфоза… Сначала присутствует огромная звезда и почти невообразимо маленькая чёрная дыра внутри неё. Затем внутренний объект становится всё тяжелее. И однажды хозяин фактически превращается в своего бывшего «паразита». Авторы называют этот процесс трансмутацией компактной звезды в чёрную дыру. Но где здесь тёмная материя?
Именно сия категория исследования может оказаться даже важнее самой эффектной цифры «сорок тонн». Мы до сих пор не знаем, из чего состоит тёмная материя. Мы видим её гравитационное влияние на галактики и скопления галактик, но — осколок тёмной материи экспериментально пока не идентифицирован. Поэтому физики ищут не только прямые следы таких частиц, но и косвенные последствия их возможного там обретания… Белые карлики и нейтронные звёзды в данном смысле превращаются в гигантские естественные лаборатории. Предположим, определённая модель тёмной материи предсказывает, что её частицы должны эффективно накапливаться внутри нейтронных звёзд, образовывать чёрные дыры и уничтожать звезду, скажем, за миллиард лет.
Затем астрономы находят нейтронную звезду возрастом десять миллиардов лет. Возникает проблема. Звезда не должна была дожить до нашего времени. Значит, либо предполагаемых частиц тёмной материи нет, либо их масса другая, либо вероятность взаимодействия с обычной материей значительно меньше предполагаемой. Само присутствие очень старых белых карликов и миллисекундных пульсаров поэтому позволяет исключать целые диапазоны свойств гипотетической тёмной материи. Именно сей подход является одной из центральных целей новых орбит в работе. Получается красивый физический парадокс: чтобы узнать свойства невидимого вещества, иногда достаточно посмотреть на звезду, которая почему-то всё ещё наличествует.
История здесь словно замыкает круг. Эйнштейн создавал общую теорию относительности прежде всего как новую теорию пространства, времени с гравитацией. Даже существование физических объектов, которые мы сегодня называем чёрными дырами, долго оставалось предметом споров. Затем появились работы Шварцшильда, Оппенгеймера, Снайдера и других исследователей гравитационного коллапса. Во второй половине XX в. Пенроуз, Хокинг и их коллеги превратили физику чёрных дыр в одну из центральных областей теоретической науки. Хокинг добавил к эйнштейновской гравитации квантовый эффект и показал: чёрные дыры способны испаряться. А теперь физики исследуют ещё более необычную ситуацию — может ли крайне маленькая чёрная дыра находиться внутри звезды и получать столько вещества, чтобы обмануть собственное квантовое испарение?..
Ответ новой модели — да, теоретически может. Но даже эта работа ещё не последнее слово. На поведение такой системы способны влиять вращение звезды, её магнитное поле, структура вещества при колоссальных плотностях и свойства само́й тёмной материи. Современные исследования показывают, например, что сильное магнитное поле в некоторых случаях способно затормозить аккрецию эндопаразитической чёрной дыры. Поэтому сорокатонная чёрная дыра пока остаётся прежде всего математически допустимым героем современной астрофизики, а — не обнаруженным космическим объектом. Но именно такие работы показывают, насколько далеко физика ушла от первых уравнений 1915 года.

Когда-то Эйнштейн изменил наше представление о гравитации… Через сто с лишним лет те же фундаментальные идеи помогают обсуждать объекты, которые невозможно увидеть непосредственно: микроскопические чёрные дыры внутри мёртвых звёзд, питающиеся гипотетической тёмной материей и ведущие непрерывную борьбу с квантовым испарением. И возможно, именно здесь проходит одна из самых интересных границ современной физики. На одной её стороне — Эйнштейн и геометрия пространства-времени. На другой — Хокинг и квантовый мир. А где-то между ними, в центре далёкого белого карлика, теоретически может скрываться чёрная дыра массой всего-то сорок тонн. Маленький объект, за которым стоят самые большие нерешённые вопросы нынешней науки.

​