Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (28) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Окончателната победа

Дори и сега ние не сме изминали целия път.

Ядрената сила, която поддържа неутрониума, може да окаже съпротива на достатъчно голям гравитационен натиск, който може да накара да колапсират обикновените атоми и даже електронния флуид. Затова неутрониумът издържа теглото на маси над границата на Чандрасекар. Но ядрената сила все пак не е безкрайно голяма. Дори и неутрониумът не може да издържи теглото на една безкрайно нарастваща маса.

Тъй като съществуват звезди 50–70 пъти по-масивни от Слънцето, не е невъзможно, когато започне колапсът, той да предизвика гравитационна фурия, по-голяма и по-интензивна от това, което може да издържи неутронната звезда. Какво става тогава?

През 1959 г., когато Опенхаймър разработвал теорията на неутронните звезди, той отчел тази възможност. Опенхаймър считал, че ако колапсиращата звезда е достатъчно масивна, тя може да се свие с такава сила, че дори неутроните ще потънат надолу под действието на падащото вещество — дори ядрените сили няма да издържат и ще се подчинят на гравитацията.

Кое е тогава следващото място, в което колапсът спира?

Опенхаймър видял, че такова място няма. Когато ядрената сила се предаде, не остава нищо, което да се противопостави на гравитацията. В крайна сметка тази най-слаба от всички сили при едно голямо натрупване на маса се превръща в най-силната. Когато колапсиращата звезда разруши съпротивителната бариера на неутрониума, тогава гравитацията печели своята окончателна победа. След това звездата продължава да колапсира, докато обемът й се свие до нула, а нейната повърхностна гравитация стане безкрайно голяма.

Критичната повратна точка се появява при маса, 3,2 пъти по-голяма от слънчевата. Тъй като нито едно бяло джудже няма маса, 1,4 пъти по-голяма от слънчевата, то не може да продължи да колапсира. Също така и нито една неутронна звезда няма маса, 3,2 пъти по-голяма от слънчевата, и затова тя също не може да продължи да колапсира.

Ако колапсиращата маса надвишава 3,2 пъти слънчевата, то тя не може да спре колапса си нито до стадий на образуване на бяло джудже, нито до стадий на образуване на неутронна звезда — тя трябва да продължи да се свива по-нататък. Нещо повече, всяка звезда от главната последователност с маса над 20 слънчеви маси не може да се освободи от достатъчно маса дори и чрез взрив на свръхнова и не достига стадия на бяло джудже или неутронна звезда. Тя трябва да продължи да се свива до точка. Следователно за всяка звезда от спектрален клас O с изчерпването на ядреното й гориво окончателната победа на гравитацията е сигурна.

(Докато обекти с маси, 3,2 пъти по-големи от слънчевата, трябва да колапсират докрай, след като веднъж процесът е започнал, то — както ще видим по-късно — обекти с по-малка маса също биха могли евентуално да колапсират по същия начин.)

Какво ще стане, когато гравитацията победи окончателно и дори неутрониумът се предаде? Какво ще стане при по-нататъшното свиване на неутронната звезда?

Повърхностната гравитация на неутронната звезда постепенно нараства, същото става и със скоростта на избягване, тъй като повърхността на колапсиращия обект се приближава все повече към центъра на свиване. По-напред в книгата вече видяхме, че неутронна звезда с маса, равна на слънчевата, има скорост на избягване 200 000 километра в секунда, което е две трети от скоростта на светлината.

Ако веществото на неутронната звезда продължи да се свива, а повърхностната гравитация става по-голяма, то неизбежно ще се стигне до състояние, при което скоростта на избягване ще стане равна на скоростта на светлината. Радиусът на свиващото се тяло, при което това се случва, се нарича радиус на Шварцшилд, тъй като той бил изчислен за първи път от немския астроном Карл Шварцшилд (1873–1916). Нулевата точка в центъра се нарича сингулярност^[1] на Шварцшилд.

За тяло с маса като тази на Слънцето радиусът на Шварцшилд е почти три километра. Диаметърът е съответно двойно по-голям, т.е. шест километра.

Да си представим тогава неутронна звезда с маса, равна на масата на Слънцето, която при свиването си преодолява неутронната бариера и диаметърът й намалява от 14 до 6 километра. Нейната плътност ще се увеличи тринадесет пъти и ще стане 17 800 000 000 000 000 g/cm³. А повърхностната й гравитация ще бъде 1 500 000 000 000 пъти по-голяма от земната, така че едно човешко същество със средно тегло, попаднало на такъв обект, би тежало 100 милиарда kg. Приливният ефект на повърхността на този обект е 13 пъти по-голям от приливния ефект на повърхността на неутронната звезда.

Най-важното свойство на такъв свръхколапсирал обект обаче е самият факт, че неговата скорост на избягване е равна на скоростта на светлината. (Естествено, ако обектът колапсира до размери, по-малки и от радиуса на Шварцшилд, то скоростта на избягване става по-голяма от скоростта на светлината.)

Физиците са сигурни, че не съществува физичен обект с маса, различна от нула, който да може да се движи със скорост, равна или по-голяма от скоростта на светлината. Това означава, че всяко тяло с радиус колкото радиуса на Шварцшилд или по-малък не може да изгуби маса чрез изхвърляне. Нищо, което има маса, не може да избегне последния капан, дори и електроните, които макар и трудно, но успяват да избягат от неутронната звезда.

Върху един свръхколапсирал обект могат да падат най-различни неща, но те не могат да бъдат изхвърлени обратно от него. Сякаш този обект е една безкрайно дълбока дупка в пространството.

Нещо повече, дори светлината, както и всяко друго излъчване, не може да избяга оттам. Светлината се състои от безмасови частици и вие бихте могли да си мислите, че гравитационното привличане, колкото и голямо да е то, не оказва влияние върху светлината. Обаче от айнщайновата обща теория на относителността знаем, че светлината, движейки се в гравитационно поле, губи част от своята енергия и това води до айнщайновото червено отместване. Това е факт, установен още от времето на Адамс, който е детектирал червено отместване при изследването на Сириус B. Когато радиусът на един колапсиращ обект е равен на радиуса на Шварцшилд или по-малък, породената от него светлина губи цялата си енергия и червеното й отместване става безкрайно голямо. Това означава, че няма да се вижда никакво излъчване.

Свръхколапсиралият обект действува не просто като дупка, а като черна дупка, тъй като той не може да излъчва нито светлина, нито каквото и да е друго излъчване. Точно това е причината описаният обект да се нарича черна дупка.

Това едва ли е подходяща дефиниция за астрономически обект, чието съществуване е плод на абстрактните теоретични разсъждения на астрономите. Определението звучи доста общо и обикновено. Другото име, което се предлага, е колапсар, съкратено от колапсирала звезда. Обаче драматичната картина, заложена в названието „черна дупка“, както и голямата му простота като че ли гарантират неговото използуване и в бъдеще.

Следователно сега имаме вече четири типа стабилни обекти:

1) Планетни обекти, покриващи диапазона от отделните субатомни частици до обектите с маса, около 50 пъти по-голяма от масата на Юпитер, но не повече. Те всички (с изключение на самите субатомни частици) са образувани от свързани атоми и обикновено имат средна плътност под 10 g/cm³.

2) Черни джуджета, които са бивши бели джуджета, изгубили толкова енергия, че не могат повече да светят и са станали невидими. Те имат маси, достигащи не повече от 1,4 слънчеви маси. Черните джуджета са изградени от електронен флуид, в който свободно се движат атомни ядра, и плътностите им са от порядъка на 20 000 g/cm³.

3) Черни неутронни звезди, които са бивши неутронни звезди, изгубили толкова енергия, че не могат повече да светят и са станали невидими. Техните маси достигат до около 3,2 слънчеви маси, но не повече. Черните неутронни звезди са изградени от неутрониум и плътностите им са от порядъка на 1 500 000 000 000 000 g/cm³.

4) Черни дупки, които не излъчват светлина и масите им могат да бъдат безкрайно големи. Те са изградени от вещество, което не сме в състояние да опишем, и имат неопределено голяма плътност, достигаща до безкрайност.

Но дали тези четири разновидности на обекти са наистина стабилни, дали в тях няма да настъпят някакви по-нататъшни промени независимо от това, каква е продължителност им на живот?

Ако някакъв представител на който и да е от четирите класа се окаже сам във Вселената, то, доколкото можем да предполагаме, той ще бъде стабилен и няма да претърпи никаква забележима промяна. Усложненията идват от това, че нито един от тези обекти не е сам във Вселената. Вселената е огромна смесица от обекти с различна степен на стабилност. Заедно с нестабилните обекти, като звездите, които еволюират в посока на един от трите крайни стадия на еволюция, има и такива обекти, които вече са достигнали тези стадии, но все още продължават да излъчват светлина по пътя си към окончателната тъмнина и стабилност.

Какво става след това?

Да разгледаме например Земята. Тя губи част от своята маса, понеже атмосферата много бавно изтича в космическото пространство. Но от друга страна, масата й нараства, понеже тя се сблъсква с множество метеорни тела и прибавя 35 000 000 килограма метеоритно вещество всяко денонощие^[2]. Това не е много в сравнение с цялата маса на Земята, но е значително повече от количеството маса, което тя губи за същото време. Следователно може да се каже, че Земята бавно, но постепенно увеличава масата си.

Аналогично и Слънцето непрекъснато губи маса — отчасти в процеса на превръщане на водорода в хелий и отчасти при изтичането на протони и други частици от неговата повърхност под формата на слънчев вятър. Та обаче също трябва да натрупва маса, тъй като събира прах и метеоритно вещество от пространството, през което преминава при движението си.

Способността да се губи маса е присъща на всички обекти с изключение на черните дупки. (Както ще видим по-нататък, съгласно някои умозрителни съображения има специални случаи, когато черните дупки също могат да губят маса.) Дори неутронните звезди изхвърлят електрони, в противен случай ние нямаше да можем да уловим техните микровълнови импулси. А свръхновите изхвърлят вещество, чиято маса може да е няколко пъти по-голяма от масата на Слънцето.

Въпреки това лесно може да се аргументира тезата за една обща тенденция, която наблюдаваме във Вселената — тенденцията големите обекти да нарастват за сметка на малките. Следователно можем да си представим (просто като една абстрактна концепция), че един обект от планетен тип може да придобие такова количество вещество, че в него да се възбудят ядрени реакции и той да стане звезда — твърде малка звезда наистина — която евентуално ще еволюира до стадий на бяло джудже и накрая ще се превърне в черно джудже.

Бихме могли също да си представим, че след като по един или друг начин някоя звезда е достигнала предполагаемия стадий на стабилно черно джудже, при движението си в пространството тя може да придобие толкова маса, че нейният електронен флуид да се разруши и джуджето да колапсира до неутронна звезда. По същия начин и неутронната звезда би могла да се сдобие с достатъчно маса, за да разбие неутрониума и да колапсира до черна дупка. От своя страна тази дупка, както изглежда на пръв поглед, по никакъв начин не може да губи маса — т.е. само може да трупа вещество без никакви ограничения.

Следователно съществува само един обект, който е стабилен във вечността, и този обект е черната дупка. И тогава в края на краищата в едно много отдалечено бъдеще — ако предположим, че нещата винаги ще се развиват по този начин, по който изглежда, че се развиват сега — можем да направим извода, че Вселената ще се състои само от черни дупки. А съвсем накрая цялата Вселена ще представлява само една-единствена черна дупка, която е погълнала всичко. Цялата Вселена ще колапсира (както съм загатнал в заглавието на тази книга).

А може би всичко не е така просто. Нека се върнем назад, като оставим размишленията за окончателната съдба на Вселената в контекста на черните дупки за малко по-нататък. Сега нека да разгледаме свойствата на черните дупки.

Първото нещо, което трябва да обсъдим, е въпросът за тяхното съществуване. Теоретично черните дупки трябва да съществуват — но съществуват ли те реално?