Что происходит, когда испаряется сингулярность черной дыры?

Не так просто представить, учитывая все разнообразие форм, которые принимает материя во Вселенной, что на протяжении миллионов лет существовали только нейтральные атомы газа водорода и гелия. И точно так же трудно представить, что однажды, через квадриллионы лет, все звезды померкнут. Останутся лишь останки нашей пока еще живой Вселенной и… черные дыры. Но и они не будут жить вечно. В связи с чем рождается интересный вопрос. Что произойдет, когда черная дыра потеряет достаточно энергии вследствие излучения Хокинга, так что ее энергетическая плотность больше не сможет поддерживать сингулярность с горизонтом событий? То есть когда черная дыра перестанет быть черной дырой из-за излучения Хокинга?

Чтобы ответить на этот вопрос, важно понять, чем на самом деле является черная дыра.

Черные дыры обычно образуются во время коллапса ядра массивной звезды, когда отработанное ядерное топливо перестает синтезировать более тяжелые элементы. По мере замедления и прекращения синтеза, в ядре падает давление излучения, которое было единственным, что удерживало звезду от гравитационного коллапса. В то время как внешние слои зачастую испытывают нарастающую реакцию синтеза, раздувая бывшую звезду в сверхновую, ядро сначала коллапсирует в нейтронную звезду, но если масса будет слишком большой, сами нейтроны коллапсируют в еще более плотное состояние черной дыры. Также черная дыра может сформироваться, если нейтронная звезда наберет достаточно массы от звезды-компаньона и пересечет порог, необходимый для превращения в черную дыру.

С точки зрения гравитации, чтобы стать черной дырой, нужно просто набрать достаточно массы в достаточно небольшом объеме пространства, из которого даже свет не может выйти. Каждая масса, включая планету Земля, имеет скорость убегания: скорость, которую нужно развить, чтобы полностью выйти из гравитационного притяжения на определенном расстоянии (например, расстоянии от центра Земли до ее поверхности) от ее центра масс. Но если массы достаточно, чтобы скорость убегания стала равна скорости света, в таком случае ничто не сможет преодолеть этот барьер, потому что ничто не может превысить скорость света.

Это расстояние от центра масс, где скорость убегания равна скорости света — назовем его R — определяет размер горизонта событий черной дыры. Но тот факт, что в таких условиях существует материя, имеет еще одно незаметное следствие: эта материя должна коллапсировать в сингулярность. Можно предположить, что должно существовать состояние материи, которое будет стабильно и находиться в определенном объеме в пределах горизонта событий, но это физически невозможно.

Чтобы проявить внешнюю силу, внутренняя частица должна отправить частицу-переносчика силы от центра масс к горизонту событий. Но этот переносчик силы также ограничен скоростью света, и вне зависимости где вы находитесь в пределах горизонта событий, все светоподобные кривые заканчиваются в центре. Для медленных и массивных частиц все еще хуже. Как только вы сформируете черную дыру с горизонтом событий, вся материя внутри свернется в сингулярность.

И поскольку ничто не может покинуть черную дыру, можно было бы подумать, что черная дыра останется таковой навечно. И если бы не квантовая физика, то так бы и было. Но в квантовой физике существует ненулевое количество энергии, присущей самому пространству: квантовый вакуум. В искривленном пространстве квантовый вакуум приобретает совершенно другие свойства, нежели в плоском, и не бывает областей, кривизна которых была бы больше, чем возле сингулярности черной дыры. Совместите два этих закона природы — квантовую физику и релятивистское пространство-время возле черной дыры — и получите явление излучения Хокинга.

Вычисления квантовой теории поля в искривленном пространстве дают удивительное решение: в пространство, окружающее горизонт событий черной дыры, испускается тепловое излучение черного тела. И чем меньше горизонт событий, тем больше кривизна пространства возле горизонта событий, а вместе с тем выше скорость излучения Хокинга. Если бы наше Солнце было черной дырой, температура излучения Хокинга составляла бы 62 нанокельвина; если бы вы взяли черную дыру в центре нашей галактики, в 4 000 000 раз массивнее солнца, температура составляла бы 15 фемтокельвинов, или 0,000025% от температуры излучения меньшего объекта.

Это значит, что чем меньше черная дыра, тем быстрее она распадается, и дольше всего живут самые большие. Черная дыра солнечной массы будет существовать около 10⁶⁷ лет до испарения, но черная дыра в центре нашей галактики будет жить в 10²⁰ раз дольше. Интересно то, что до самой последней секунды существования у черной дыры будет оставаться горизонт событий. После образования сингулярности — и пока остается горизонт событий — она будет оставаться сингулярностью до тех пор, пока масса не станет нулевой.

Однако эта последняя секунда жизни черной дыры приведет к очень специфическому и мощному выбросу энергии. Когда масса падает до 228 метрических тонн, это сигнал к тому, что остается ровно одна секунда. Размер горизонта событий в это время составит 340 йоктометров, или 3,4 х 10^-22: размер одной длины волны фотона с энергией, превышающей энергию любой частицы, которую когда-либо производил БАК. В эту последнюю секунду будет выпущено 2,05 х 10²² джоулей энергии, пять миллионов мегатонн в тротиловом эквиваленте. Это как если бы миллион термоядерных бомб взорвались в крошечном кусочке пространства; это заключительная стадия испарения черной дыры.

Что останется? Просто уходящее излучение. Если раньше в пространстве была сингулярность, в которой масса, а также, возможно, заряд и угловой момент существовали в бесконечно малом объеме, больше нет. Пространство восстановится до своего несингулярного состояния, как будто не было ничего до этого. Но когда это случится, Вселенная успеет сделать все свои дела триллионы раз. Не останется больше никаких звезд или других источников света, когда испарится первая черная дыра. И нет никакого «порога», после которого это должно случиться. Просто черная дыра должна полностью испариться. И насколько нам известно, останется только излучение.

Другими словами, если бы вы наблюдали, как испаряется последняя черная дыра в нашей Вселенной, вы увидели бы только черную пустоту пространства, в которой не было бы ни света, ни признаков активности уже на протяжении 10¹⁰⁰ лет или больше. Внезапная мощная вспышка излучения определенного спектра и величины станет последним разом, когда наша наблюдаемая Вселенная искупается в излучении. Испарение последней черной дыры станет последним разом, когда Вселенная скажет: да будет свет!