Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (32) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Краят?

Ние не можем да не сме любопитни какво може да се случи с веществото, което пада върху черна дупка.

Но това наше любопитство много трудно може да бъде задоволено. Всичкото, което можем, е просто да правим предположения, защото няма начин да разберем дали природните закони, които така ревностно сме извеждали, наблюдавайки Вселената около нас, се изпълняват при екстремалните условия, съществуващи в черните дупки. Ние не сме в състояние да възпроизведем по какъвто и да е начин тези условия тук, на Земята, а и не можем да ги наблюдаваме на небето, тъй като не знаем да съществува някоя черна дупка в близост до нас.

Следователно можем само да предполагаме, че природните закони се изпълняват и там. Нека се опитаме да поразсъждаваме какво би могло да се случи.

Едно от нещата, които могат да се случат, е това, че най-неприятното не се случва или поне не виждаме то да се случва. Как например масата може да се свие до нулев обем и безкрайна плътност в Шварцшилдовата сингулярност? Това така ни шокира, че ни кара да търсим нещо, което да го предотврати.

Например според теорията на Айнщайн увеличаването на интензитета на гравитационното поле води до забавяне на хода на времето. Това не е нещо, което може лесно да се наблюдава във Вселената, тъй като гравитационните полета, с които се сблъскваме (като изключим черните дупки и неутронните звезди), оказват незначителен ефект върху хода на времето.

Именно по тези причини, ако наблюдаваме нещо, което пада върху черна дупка, ще забележим, че то се движи все по-бавно и по-бавно, приближавайки радиуса на Шварцшилд, че то дори започва да пълзи и достигайки този радиус, спира. Но в процеса на приближаването айнщайновото червено отместване, което също зависи от интензитета на гравитационното поле, отнема все по-голямата част от енергията на тялото чрез неговото светлинно излъчване. Падащият надолу обект се вижда все по-слабо в процеса на забавянето на движението си и когато достигне радиуса на Шварцшилд, където замръзва неподвижно, той става напълно тъмен. В резултат ние не можем да наблюдаваме абсолютно нищо, което е попаднало под радиуса на Шварцшилд.

Нека си представим един астронавт, който пада върху черна дупка, но по някакъв начин запазва съзнание и е в състояние да възприема онова, което го заобикаля — той няма да почувствува промяна в хода на времето. Само един външен наблюдател би могъл да забележи, че такава промяна има.

Падащият върху дупката астронавт ще премине през радиуса на Шварцшилд, без да разбере, че съществува някаква бариера, и ще продължи пътя си към неизвестното. Един от начините да интерпретираме събитията, които следват, е да предположим, че от гледна точка на астронавта разстоянието пред него ще се увеличава по време на падането, така че той ще продължи да пада вечно, той никога няма да достигне центъра. В този смисъл черната дупка е една бездънна дупка.

Както и да гледаме падащите обекти в черната дупка, те не достигат центъра, няма нулев обем, няма безкрайна плътност — но не може да има и връщане назад. Падането е необратимо, затова нека още веднъж да разгледаме възможния край на Вселената.

Ако наистина не съществува начин да се върнем обратно или да се неутрализира действието на черните дупки, то тогава тези дупки, които сега съществуват, могат само да нарастват. Освен това съществува възможност да се образуват и нови дупки.

Ако в центъра на всяка галактика и на всеки кълбовиден куп съществува черна дупка, то тогава най-накрая (колкото и далечен да е този край) всяка галактика би се превърнала в голяма черна дупка, заобиколена от множество по-малки черни дупки спътници.

Две черни дупки могат да се сблъскат и да се слеят, но веднъж образувана, черната дупка вече не може да се дели. Следователно можем да предположим, че рано или късно черните дупки от кълбовидния куп, които са в орбита около черната дупка на галактиката, ще се слеят една с друга, така че с времето цялата галактика ще се превърне в една-единствена черна дупка.

Съществуват както отделни галактики, така и групи от галактики (в изключителни случаи — от няколко хиляди обекта в група), които са свързани в групите поради гравитационното привличане между тях. Всяка галактика може да стане черна дупка и такива дупки могат също да се сливат.

Можем ли да продължим да разсъждаваме нататък по същия начин и да предположим, че всички черни дупки във Вселената евентуално ще се слеят в една-единствена вселенска черна дупка?

Това не е необходимо. Вселената се разширява, така че галактичните единици (били те отделни галактики или купове от галактики), непрекъснато увеличават разстоянието помежду си. Голяма част от астрономите, изглежда, смятат, че това ще продължи неопределено дълго време. Ако това е така, то можем да си изградим представа за една Вселена, която се състои от милиарди черни дупки, всяка с маса някъде от около няколко милиона до няколко трилиона пъти по-голяма от масата на нашето Слънце, които непрекъснато се отдалечават една от друга.

Много е възможно обаче самият процес на разширяване да води до промени.

През 1937 г. английският физик Пол Ейдриан Морис Дирак (1902) предложи своята сензационна теория за това, че интензитетът на гравитационното поле в основата си зависи от глобалните свойства на Вселената. Колкото по-голяма е средната плътност на Вселената, толкова е по-голяма гравитационната сила в сравнение с другите сили във Вселената.

Тъй като Вселената се разширява, средната плътност на веществото намалява в процеса на неговото разпростиране в един постоянно нарастващ обем. Именно поради голямото разширяване гравитационната сила е толкова слаба в сравнение с другите сили и докато Вселената продължава да се разширява, тази сила ще отслабва още.

Предположението на Дирак все още не е потвърдено чрез наблюдения и много физици смятат, че гравитационната константа (от стойността на която зависи интензитетът на гравитационната сила) не само че е еднаква навсякъде в космическото пространство, но тя не се променя и с течение на времето. Независимо от това обаче, ако предположението на Дирак се потвърди, то ще промени описаната по-горе картина.

Щом като Вселената се разширява, а гравитацията става все по-слаба и по-слаба, обектите, които първоначално се държат в свързано състояние от действието на гравитационните сили, ще се разширяват и ще стават по-малко компактни и по-малко плътни. Такива обекти са образувалите се вече бели джуджета и неутронни звезди, такива са също и черните дупки. За всички обекти съществува тенденцията да образуват такива материални форми, в които веществото остава в свързано състояние вече под действието на електромагнитните сили или изобщо не е в свързано състояние. Дори и черните дупки се изпаряват малко по малко и в крайна сметка Вселената ще се превърне в един огромен, невероятно разреден облак от камъчета, прах и газ и този облак непрекъснато ще става все по-голям и по-разреден.

Ако това наистина е така, то може да се смята, че Вселената се заражда като силно компресирано вещество с огромна маса и ще свърши като огромен силно разреден облак от вещество със същата маса.

Тук възниква една загадка — откъде идва компресираното вещество? Ние не трябва да се тревожим от тази форма на материята, тъй като това е просто една много компактна форма на енергията, а е лесно да предположим, че енергия винаги е съществувала и винаги ще съществува — при това по-голямата част от нея съществува във веществена форма. Въпросът е как това вещество се е компресирало в космическото яйце, от което е започнало всичко?

Можем да предположим, че ако разглеждаме развитието на Вселената само от първоначалното й свито състояние до сегашния й стадий на разширяване, то ние ще обхванем само половината от нейния цикъл на живот.

Да предположим, че Вселената започва от един безкрайно разреден облак от прах и газ. Бавно с течението на дългите еони той се е кондензирал и образувал космическото яйце, което се е взривило и след преминаването на не по-малко на брой еони е възстановило веществото в този вид, в който то е съществувало някога. Така се е случило, че на нас ни се е паднало да живеем наскоро след експлозията (след около 15 милиарда години).

И все пак мисълта, че Вселената се е зародила с еднократен взрив, изглежда незадоволителна. Ако разпръснатото вещество може да се събере, да се слее, да се допре и накрая да се превърне в космическо яйце, тогава защо да не може разпръснатото вещество, което се получава като краен продукт от експлозията на космическото яйце (така или иначе то се състои от черни дупки или от разпиляна материя) да се събере отново, да се свие и да образува второ космическо яйце?

Защо да не може това да се повтаря отново и отново? Накратко, защо да не може да съществува една безкрайно пулсираща Вселена?

Астрономите са извели условията, които са необходими за образуването на пулсираща Вселена. Дали това може да стане или не, зависи от нещо, което прилича на скоростта на избягване. Между галактичните единици, най-общо казано, съществуват някакви гравитационни сили, има и някаква скорост на избягване, свързана с тези сили. Ако Вселената се разширява със скорост, по-голяма от скоростта на избягване, то тя ще се разширява вечно и никога няма да се свие. Ако тя се разширява със скорост, по-малка от скоростта на избягване, то сега протичащото разширяване на Вселената може някога да спре и след това трябва да започне процес на свиване.

Но дали сега наблюдаваната скорост на разширяване е по-голяма или по-малка от скоростта на избягване? Това зависи от стойността на скоростта на избягване, която от своя страна зависи от стойността на пълната гравитационна сила между галактическите единици, а тя пък зависи, както се оказва, от средната плътност на веществото във Вселената.

Колкото по-голяма е средната плътност на веществото във Вселената, толкова по-голяма е гравитационната сила между галактиките и толкова по-голяма е скоростта на избягване — толкова по-голяма е и вероятността сегашната скорост на разширяване да не е по-голяма от скоростта на избягване и Вселената да пулсира, т.е. тя да се окаже затворена.

Естествено трудно е да се определи средната плътност на Вселената, тъй като е трудно да се определи какво количество пълна маса има в един голям обем от нея, който е достатъчно представителен за цялата Вселена. Използувайки най-добрите съществуващи данни, някои астрономи са почти убедени, че средната плътност е само 1/100 от стойността, която е необходима, за да бъде Вселената пулсираща, така че тя е отворена, и съществува тенденция Вселената да се разширява вечно. (Ако гравитационната сила отслабва с разширяването на Вселената, тогава ще е необходима дори още по-голяма средна плътност за пулсирането, така че в този случай наблюдаваната плътност е още по-малка от необходимата.)

И все пак независимо от това, че аргументите против затворената и пулсираща Вселена изглеждат силни, дали те са достатъчни? Куповете от галактики се държат от гравитационното привличане, но наблюдаваната в тях маса не е достатъчна, за да предизвика това привличане. В резултат на общото разширяване на Вселената куповете от галактики би трябвало да се разлитат, а това не се наблюдава. Това е причината да възникне нещо, което се нарича проблем на скритата маса.

Може ли тази скрита маса да се съдържа в черните дупки? С много малки изключения не съществува начин да се детектират черни дупки и ние нямаме ясна представа какво количество маса остава незабелязано за нас в тези най-разнообразни по размери черни дупки. Трудно е да повярваме, че в черните дупки се крие маса, стотици пъти по-голяма от масата на всички останали обекти във Вселената. Ние все пак сме на границата на това, което можем да наблюдаваме и да осмисляме, и не можем да сме напълно сигурни дали нещата са точно такива или не. Доказателствата изглежда да са в полза на идеята за една непрекъснато разширяваща се Вселена, но може да се окаже и така (имайки предвид черните дупки), че има достатъчно маса и Вселената в крайна сметка да е затворена и пулсираща.