Що відбувається, коли випаровується сингулярність чорної діри?

Не так просто уявити, враховуючи все різноманіття форм, які приймає матерія у Всесвіті, що протягом мільйонів років існували тільки нейтральні атоми газу водню і гелію. І точно так само важко уявити, що одного разу, через квадриллионы років, всі зірки згаснуть. Залишаться лише останки нашої поки ще живий Всесвіту і... чорні діри. Але і вони не будуть жити вічно. У зв'язку з чим народжується цікаве питання. Що станеться, коли чорна діра втратить достатньо енергії внаслідок випромінювання Хокінга, так що її енергетична щільність більше не зможе підтримувати сингулярність з горизонтом подій? Тобто коли чорна діра перестане бути чорною дірою через випромінювання Хокінга?

Щоб відповісти на це питання, важливо зрозуміти, чим насправді є чорна діра.

Чорні діри зазвичай утворюються під час колапсу ядра масивної зірки, коли відпрацьоване ядерне паливо перестає синтезувати більш важкі елементи. По мірі уповільнення і припинення синтезу, в ядрі падає тиск випромінювання, яке було єдиним, що утримувало зірку від гравітаційного колапсу. У той час як зовнішні шари часто відчувають наростаючу реакцію синтезу, роздуваючи колишню зірку в наднову, ядро спочатку колапсує в нейтронну зірку, але якщо маса буде надто великою, самі нейтрони колапсують в ще більш щільне стан чорної діри. Також чорна діра може сформуватися, якщо нейтронна зірка набере достатньо маси від зірки-компаньйона і перетне поріг, необхідний для перетворення в чорну діру.

З точки зору тяжкості, щоб стати чорною дірою, потрібно просто набрати достатньо маси в досить невеликому об'ємі простору, з якого навіть світло не може вийти. Кожна маса, включаючи планету Земля, має швидкість утікання: швидкість, яку потрібно розвинути, щоб повністю вийти з гравітаційного тяжіння на певній відстані (наприклад, відстані від центру Землі до її поверхні) від її центру мас. Але якщо маси достатньо, щоб швидкість утікання стала дорівнює швидкості світла, в такому випадку ніщо не зможе подолати цей бар'єр, тому що ніщо не може перевищити швидкість світла.

Це відстань від центру мас, де швидкість утікання дорівнює швидкості світла — назвемо його R — визначає розмір горизонту подій чорної діри. Але той факт, що в таких умовах існує матерія, має ще одне непомітне наслідок: ця матерія повинна коллапсировать в сингулярність. Можна припустити, що повинно існувати стан матерії, яке буде стабільно і знаходитися в певному обсязі в межах горизонту подій, але це фізично неможливо.

Щоб проявити зовнішню силу, внутрішня частка повинна відправити частку-переносника сили від центру мас до горизонту подій. Але цей переносник сили також обмежений швидкістю світла, і незалежно де ви знаходитесь в межах горизонту подій, все светоподобные криві закінчуються в центрі. Для повільних і масивних частинок все ще гірше. Як тільки ви сформуєте чорну діру з горизонтом подій, вся матерія всередині згорнеться в сингулярність.

І оскільки ніщо не може покинути чорну діру, можна було б подумати, що чорна діра залишиться такою навіки. І якщо б не квантова фізика, то так би і було. Але в квантовій фізиці існує ненульова кількість енергії, властивої самому простору: квантовий вакуум. У викривленому просторі квантовий вакуум набуває зовсім інші властивості, ніж у плоскому, і не буває областей, кривизна яких була б більше, ніж біля сингулярностей чорної діри. Зіставте два цих закону природи — квантову фізику і релятивістський простір-час біля чорної діри — і отримаєте явище випромінювання Хокінга.

Обчислення квантової теорії поля у викривленому просторі дають дивне рішення: в простір, що оточує горизонт подій чорної діри, випускається теплове випромінювання чорного тіла. І чим менше горизонт подій, тим більше кривизна простору біля горизонту подій, а разом з тим вище швидкість випромінювання Хокінга. Якби наше Сонце було чорною дірою, температура випромінювання Хокінга становила б 62 нанокельвина; якщо б ви взяли чорну діру в центрі нашої галактики, в 4 000 000 раз масивніше сонця, температура становила б 15 фемтокельвинов, або 0,000025% від температури випромінювання меншого об'єкта.

Це означає, що чим менше чорна діра, тим швидше вона розпадається, і найдовше живуть самі великі. Чорна діра сонячної маси буде існувати близько 10⁶⁷ років до випаровування, але чорна діра в центрі нашої галактики буде жити в 10²⁰ разів довше. Цікаво те, що до самої останньої секунди існування у чорної діри буде залишатися горизонт подій. Після утворення сингулярності — і поки залишається горизонт подій — вона буде залишатися сингулярністю до тих пір, поки маса не стане нульовою.

Проте ця остання секунда життя чорної діри призведе до дуже специфічному і потужного викиду енергії. Коли маса падає до 228 метричних тонн, це сигнал до того, що залишається рівно одна секунда. Розмір горизонту подій в цей час складе 340 йоктометров, або 3,4 х 10^-22: розмір однієї довжини хвилі фотона з енергією, що перевищує енергію будь-якої частинки, яку коли-небудь робив БАК. У цю останню секунду буде випущено 2,05 х 10²² джоулів енергії, п'ять мільйонів мегатонн у тротиловому еквіваленті. Це як якщо б мільйон термоядерних бомб вибухнули в крихітному шматочкупростору; це заключна стадія випаровування чорної діри.

Що залишиться? Просто йде випромінювання. Якщо раніше в просторі була сингулярність, в якій маса, а також, можливо, заряд і кутовий момент існували в нескінченно малому обсязі, більше немає. Простір відновиться до свого несингулярного стану, як ніби не було нічого до цього. Але коли це станеться, Всесвіт встигне зробити всі свої справи трильйони разів. Не залишиться більше ніяких зірок або інших джерел світла, коли випарується перша чорна діра. І немає ніякого «порогу», після якого це має статися. Просто чорна діра повинна повністю випаруватися. І наскільки нам відомо, залишиться тільки випромінювання.

Іншими словами, якщо б ви спостерігали, як випаровується остання чорна діра у Всесвіті, ви побачили б тільки чорну порожнечу простору, в якій не було б ні світла, ні ознак активності вже протягом 10¹⁰⁰ років або більше. Раптова потужний спалах випромінювання певного спектру і величини стане останнім разом, коли наша спостережуваний Всесвіт скупається у випромінюванні. Випаровування останньої чорної діри стане останнім разом, коли Всесвіт скаже: так буде світло!