Нет, я не о России, а о том, что с 13 по 18 августа в Вашингтоне проходила очередная конференция по кварковым вопросам Quark Matter 2012. На ней сообщили, что на коллайдере релятивистских ионов Брукхейвенской лаборатории США, возможно, наблюдали границу, разделяющую обычную материю, состоящую из протонов и нейтронов, с плазмой из кварков и глюонов, которой была наполнена Вселенная вскоре после «Биг Бэнга».Они получили вещество, разогретое до 4 триллионов градусов! Эксперименты на RHIC говорят, что граница соответствует энергии около 20 ГэВ.
Но рекорд продержался недолго, и физики из CERN получили на Большом адронном коллайдере температуру 5,5 триллионов — в 100 000 раз выше температуры в центре Солнца! Плотность при этом была больше, чем плотность нейтронных звёзд. На чем стоит остановиться подробнее.
Лаплас в знаменитой «Mеcanique cеleste» в первом издании мимоходом затронул один частный случай следования материи законам Ньютона. После чего на тему впервые обратили внимание — на тему черных дыр.
А живем мы, кажется, именно в дыре! Глядя на великолепие мироздания, порой думаешь не только о том, что швейковский поручик Дуб на его фоне не столь уж заметен, но и о том, не окажется ли масса мира достаточной, чтобы свет не мог покинуть его? Не оттого, что жаль фотонам покидать сияющие чертоги и устремляться в мрак неведомого. А потому что гравитация не пускает. То есть, не является ли наша Вселенная черной дырой?
Для этого нужно знать ее массу. Но с этим проблемы. Так, многие почему-то считают, что радиус Вселенной около 14 млрд. световых лет. За время ее существования, которое установлено достаточно надежно, свет не мог пройти большего расстояния, а поскольку его скорость есть максимальная, согласно Эйнштейну, скорость передачи взаимодействий, то и мир не может быть большим!
А как же быть тогда со стандартной космологической моделью? Основанная на инфляции, она постулирует, что мир намного больше наблюдаемой области. Автор инфляционной теории Алан Гут утверждает, что в настоящее время Вселенная в 10 в 23-й степени раз больше наблюдаемой ее части! На практике это означает бесконечность.
Мало того, о каких расстояниях речь? Раз Вселенная расширяется, то разумно мерять дистанции в сопутствующей системе координат, расширяющейся вместе с пространством. Тогда радиус составит около 46 миллиардов световых лет. А Нил Корниш, астрофизик из Университета Монтаны, полагает, что мир еще больше — диаметром 156 миллиардов лет!
От размеров мира зависит его масса, но при таком разбросе данных трудно сказать что-либо конкретное и апеллировать к Ньютону. Что же делать? Попробуем подойти к проблеме с другого конца. Призовем Хаббла на помощь. Он определил скорость расширения Вселенной — и появилась возможность установить критическую плотность, от которой зависят эволюция мира и его геометрические свойства. Плотность равна примерно 10 в минус 26-й степени кг на куб. метр.
Сейчас, когда для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной пришлось ввести понятие темной энергии, о которой никто ничего не знает, но которую можно трактовать как некую космологическую константу, противодействующую силам тяготения и начинающую играть значительную роль лишь в больших масштабах, критическая плотность уже не столь критична. Но нам она важна иным. Так уж устроен мир, что когда в науке наступает почти полная ясность, на горизонте вдруг появляются тучки, и помимо темной энергии пришлось ввести также не менее загадочную темную материю, каковые сами и стали ныне главной проблемой космологии!
В итоге нововведений плотность Вселенной стала примерно равна критической. Определим же радиус области, имеющей массу, достаточную, чтобы не отпускать от себя фотоны. Он равен 14 млрд. световых лет, что явно меньше размеров Вселенной и подозрительно совпадает с радиусом видимой ее части.
Иными словами, уже той массы, что мы наблюдаем, вполне достаточно, чтобы понять — Вселенная в целом действительно должна находиться в состоянии гравитационного коллапса. То есть, не может быть ничем иным, как черной дырой!
И все же, прежде чем перейти к глобальным обобщениям, давайте пройдемся по лестнице масс. Так, для Земли гравитационный радиус будет менее сантиметра. То есть, чтобы сделать ее черной дырой, надо основательно сжать вещество. Для Солнца радиус уже 3 км, но оно мало и стать ЧД ему не светит, его судьба — белый карлик. Звезды от 1.4 М (предел Чандрасекара) до 2,5—3 М (предел Оппенгеймера – Волкова) в конце пути взрываются, и от них остается т.н. нейтронная звезда. И лишь более крупные светила после аналогичного взрыва ждет гравитационный коллапс.
Сравним же типичную ЧД звездной массы с нейтронной звездой. Последняя, потеряв внешние слои и сжавшись, имеет массу от 1 до 2 M при радиусе около 10-12 км. Она похожа на орех со сверхпрочной кристаллической скорлупой (металлической). Этот стальной орех заполнен нейтронной жидкостью. Средняя ее плотность превышает плотность атомных ядер. В центре, по-видимому, под действием невероятного давления нейтроны тают, образуя кварк-глюонное желе. Такая звезда является последним шагом на пути к ЧД. Остается сделать небольшой количественный скачок!
В 2008 году НАСА сообщило о нахождении рекордно малой (3,8М) ЧД в двойной системе XTE J1650-500. Радиус при этом должен быть около 12 км, а средняя плотность будет, как у нейтронной звезды. Принципиальное отличие — скорость убегания равна скорости света! Это означает качественный скачок во внутренней структуре.
Странно. Сами посудите, наиболее массивная дыра звездной массы (M33 X-7) в 4 раза тяжелее, чем XTE J1650-500. Соответственно и ее гравитационный радиус будет вчетверо больше, а вот плотность — во столько же меньше. Спрашивается, почему бы кваркам и глюонам не собраться снова в нуклоны, как это происходит в наших экспериментах? Не вернуться к состоянию нейтронной звезды? Или именно так рождается сингулярность, и назад дороги уже нет? Гм, тогда грань между огромным миром и точкой нулевого радиуса весьма тонка…
Если взять супермассивную ЧД в ядре нашей галактики, то она невелика (десять радиусов Солнца), и есть множество куда больших звезд, но ее масса внушает уважение: около четырех миллионов солнечных. Похоже, что гигантские ЧД были первыми четко локализованными объектами Вселенной, что именно они стали центрами образования галактик — и зажгли первые звезды!
Если же взять самую сверхмассивную из обнаруженных на сегодняшний день ЧД с массой 18 миллиардов масс Солнца, то ее радиус Шварцшильда составит 350 а.е. Для справки: «Вояджер-1» — самый дальний от Земли объект, созданный человеком, на 21 июля 2012 года находился на расстоянии 121,314 а.е., у границ солнечной системы.
Так вот, самое любопытное заключается в том, что средняя плотность ЧД в квазаре OJ 287 окажется крайне малой: 0.08 кг/куб. м или 0.08 10 в минус третьей степени г/куб. см. Это в 15 раз меньше плотности воздуха…
Согласитесь, все это не похоже на привычные представления о ЧД как о шаре сверхплотной материи, который чудовищными приливными силами разрывает все связи! Оставим пока в стороне Вселенную в ипостаси черной дыры, с ней вопрос еще неясен, но то, что ЧД играют важную роль в космогонии, раз имеются в центре едва ли не каждой галактики, если существенная часть звезд заканчивает свой сверкающий жизненный путь именно таким мрачным финалом, — твердо установленный факт.
Какие же выводы придется сделать о строении ЧД? С одной стороны, тривиальные: уже начиная с минимальной коллапсирующей звездной массы, колоссальная гравитация соберет все вещество формирующейся черной дыры в центр — и о средней плотности можно забыть. С другой стороны…
Никак не может считаться тривиальным результат такого сжатия. Сингулярность. Точка бесконечно малого размера, но бесконечной плотности. Тут попахивает «Биг Бэнгами» и Вселенными!
Пишут, что сам термин ЧД ввел в употребление выдающийся американский физик Дж. Уилер, он же одним из первых пришел к идее вселенских ЧД. Сообщая об этом, Ли Смолин пишет в работе 1994 года: «Можно предположить, что каждая черная дыра в нашей Вселенной приводит к созданию новой вселенной и, соответственно, большой взрыв в нашем прошлом есть результат формирования черной дыры в иной вселенной». Это красивая идея.
А известный специалист по вселенскому «чернодырию» М.Х. Шульман прямо вопрошает в заголовке статьи 2011 года: «Может ли Вселенная не быть черной дырой?» Как видите, исходя из наших вычислений, вопрос этот совсем не риторический. Судя по всему, мы живем именно в ЧД, и «снаружи» о нас можно судить лишь по рентгеновскому излучению аккреционного диска.
Где снаружи? Ведь, как писал не так уж давно замечательный популяризатор науки И. Новиков («Эволюция Вселенной», М, 1990), вне Вселенной ничего нет, ни пространства, ни времени! В полном, между прочим, согласии с Августином Блаженным, отцом христианской церкви. Тот так же проповедовал, что до создания мира времени не было. Но это странная идея!
Столь же странная, как идея геоцентризма. Или антропоцентризма. Или уникальной Вселенной. Вспомните присказку угольщика Франтишека Шквора из «Похождений бравого солдата Швейка»: «Пусть было, как было, ведь как-нибудь да было. Никогда так не было, чтобы никак не было». Что-то да было раньше — и до Творения, и до «Биг Бэнга». Что, в какой форме, как долго? — Но было. И всегда будет.
И «снаружи» всегда есть. Иначе не было бы понятия «внутри». Написал ведь тот же И. Новиков в книге «Как взорвалась Вселенная» (1988) из легендарной библиотечки «Квант» 30-й раздел, называющийся «Вечно юная Вселенная»: о бесконечном и вечном мире многих миров, о Multiverse! Правда, рецензентом тогда у него был доктор физ.-мат. наук А. Линде…
Кстати, 23 марта 2011 появилась статья еще более известного, чем Шульман, сторонника этой прогрессивной идеи On the mass of the Universe born in a black hole | ResearchGate (О массе Вселенной, возникшей в черной дыре) Никодема Поплавского, физика Университета Индианы. Он пишет во вступлении:
«Показано, используя теорию гравитации Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, что гравитационный коллапс спиновой жидкости из фермионной материи (spin-fluid fermionic matter) с жестко заданным уравнением состояния в черной дыре, обладающей массой M, порождает новую Вселенную с массой (формула)… Полагая массу равной массе нашей Вселенной (которая равна примерно 10 в 26-й степени солнечных масс), находим M ~ 10 в 3-й степени М. Таким образом, наша вселенная могла возникнуть из черной дыры с промежуточной величиной массы».
Иными словами, хотя эксперименты физиков пока не угрожают нам образованием черных дыр (не та масса и гравитация), ЧД играют ключевую роль не только в эволюции нашей Вселенной, но и в генезисе Multiverse! И являются дополнительным аргументом в пользу его существования.
Монреаль-Бостон
