Глобальная Энергия Вселенной: Черные Дыры

Как показал еще в 1946 г. Е. М. Лифшиц[Лифш] , в однородном расширяющемся мире за счет гравитационной неустойчивости не могут появляться галактики и их скопления. Нужны исходные неоднородности плотности метагалактического вещества, которые должны сыграть роль зародышей при образовании различного рода космических объектов. Трудности в объяснении происхождения начальных неоднородностей заставили обратиться к идеи трансметагалактического происхождения отонов[Тро1].

2.1. Отоны - универсальные центры(«зародыши») образования космических объектов (на верх) . Черные дыры как реликты серых дыр могут эффективно использоваться в качестве зародышей для образования различных космических объектов. В концепции отонных миров трансметагалактические черные дыры выступают в качестве универсальных центров образования классических астрофизических объектов: планет, спутников планет, комет, планетезималей, звезд, ядер галактик, скоплений галактик и так далее.

Таким образом, становится ясен ответ на вопрос: каким образом черные дыры оказались в Земле? Черные дыры изначально находились в Земле и других космических телах. Являясь «зародышами» этих тел, черные дыры предшествуют образованию обычных астрофизических объектов.

Давно получила известность идея черных дыр как «зародышей» галактик и скоплений галактик[ Car 4], менее известна идея о черных дырах как "зародышах" звезд[ Clay , Fog 1]. В рамках отонного сценария универсальными «зародышами» всех космических объектов вплоть до планет считаются отоны. Логическим следствием этой идеи является представление о существовании множества отонов в космических телах, находящихся не только в центре объектов, но и движущихся в их гравитационных полях.

Возможна следующая схемапопадания отонов в космические тела. В стандартных космогонических сценариях считается, что планеты(в частности, Земля) образовалась за счет аккреции планетезималей на "зародыши" планет. Но сами планетезимали, как следует из отонного сценария, также образовались за счет аккреции вещества на отоны, которые являются "зародышами" планетезималей.

Таким образом, отоны не являются одиночными, "голыми", а изначально находятся в соответствующих гравитационных потенциальных "ямах" и окружены веществом. Вот эти отоны, имеющие оболочки из вещества, могут захватываться космическими телами[Тр12]. Наконец, можно просто постулировать существование отонов в Земле, не ставя вопроса об их происхождении.

Вначале обсудим наиболее характерные проявления черных дыр в космических телах. Выбор предметов обсуждения очевиден: нейтронные звезды(максимальные плотности материи); Солнце(ближайшая звезда и наиболее крупный объект в Солнечной системе); планеты, у которых имеются более яркие проявления черных дыр, чем на Земле.

2.2.Черные дыры в нейтронных звездах и феномен пульсаров (на верх) . Внутризвездные черные дыры радикальным образом не влияют на эволюцию звезд, но они могут оказать решающее воздействие на эволюцию постзвезд: белых карликов и нейтронных звезд. У постзвезд плотность вещества значительно больше, чем у звезд, а значит, соответственно большими должны быть темп аккреции вещества на черную дыру и энерговыделения при аккреции. В этом отношении интерес представляют миллисекундные пульсары.

Автором для объяснения феномена пульсара, в частности, образования миллисекундных пульсаров была предложена альтернативная модель нейтронной звезды, содержащей в центре малую черную дыру[ Tro 2,4]. Согласно этой модели, ускорение вращения происходит за счет стекания (аккреции) вещества нейтронной звезды в черную дыру, что ведет к уменьшению момента инерции, а значит, и к увеличению скорости вращения.

Исходя из этой модели, была предсказана возможность существования класса субмиллисекундных пульсаров с Р _min < 0,5 мс. Субмиллисекундный оптический пульсар (P 0.5 мс) в области Сверхновой S N-1987A, открытый вслед за сделанным предсказанием, является хорошим подтверждением верности данной модели.

Другим следствием этой модели является возможность ускорения вращения у одиночных пульсаров, так как причина этого ускорения - внутренняя структура нейтронной звезды (наличие в центре малой черной дыры). Подтверждением этого вывода является открытие отрицательной производной периода (Р = -2 10^-17 с/с) у одиночного пульсара P S R 2127 + 11 ( Р = 110 мс) в шаровом скоплении М15.

Черная дыра в центре означает наличие точечной массы в центре нейтронной звезды, куда происходит сток (аккреция) сверхпроводящий нейтронной жидкости. Масса, оказавшаяся в малой черной дыре ("точке"), не вносит уже вклада в момент инерции. Уменьшение момента инерции в силу закона сохранения момента импульса должно компенсироваться ускорением вращения.

Это значительно упрощает задачу и позволяет по производной периода определить темп аккреции на черную дыру из условия сохранения момента импульса:

Момент инерции для нейтронной звезды определяется выражением:

что дает следующую оценку момента инерции нейтронной звезды:

J₀=10⁴⁴ г см². С учетом (2.2.2.) из (2.2.1.) можно получить:

Полагая R=const и продифференцировав (2.2.3.) по времени, получим

Подстановка параметров нейтронной звезды и параметров 110-мс пульсара дает следующую оценку темпа аккреции на центральную черную дыру: =2 10¹⁷г с^-1. Для оценки массы черной дыры воспользуемся формулой для гидродинамической сферической аккреции [ Шапи ] , так как внутри нейтронной звезды находится сверхтекучая жидкость:

Из (2.2.5.) при постановке параметров нейтронной звезды получаем параметры черной дыры M_BH » 1,58 10¹⁹ г, R_BH » 2 10^-9 см, r _BH » 10⁴⁴ г см^-3. Размеры по порядку сопоставимы с размерами атома, а значительная величина плотности говорит о степени уплотнения вещества. Вместе эти величины показывают правомерность аналогии аккреции вещества в малую черную дыру со стягиванием вещества в точку.

Заметим, что данные оценки носят скорей иллюстративный характер, чем количественный, так как не учитывается отталкивающее давление ферми-системы. Проблема аккреции сверхплотного вырожденного на микро-черные дыры специально еще не исследовалась. Хокинговское излучение и ферми-давление аккрецируемого вещества могут не только значительно снизить темп аккреции, но и при определенных условиях способны остановить аккрецию.

Так как скорость аккреции прямо пропорциональна квадрату массы черной дыры, то значит, со временем должно расти ускорение вращения пульсара, то есть быстровращающиеся пульсары должны быть старыми объектами. С одной стороны, вращение пульсаров за счет потери энергии замедляется, а, с другой стороны, - ускоряется за счет уменьшения момента инерции. Эти процессы идут одновременно, но вначале преобладает замедление вращения за счет потери энергии, а со временем постоянно нарастающий процесс аккреции на черную дыру ведет к ускорению вращения. Причем, со временем должна возрастать и вторая производная периода.

Темп аккреции на черную дыру (2.2.4.) соответствует значительной величине энерговыделений, которые должны прогревать нейтронную звезду, а так как темп аккреции растет со временем, то значит, процесс остывания нейтронной звезды должен смениться ее нагревом.

Таким образом, старые пульсары должны быть не только быстровращающимися, но и горячими. Наблюдение жесткого излучения от одиночных миллисекундных пульсаров, обладающих отрицательной производной периода, например, у пульсара P S R 2127 + 11 было бы еще одним подтверждением наличия черных дыр в нейтронных звездах.

Наличие отрицательной производной у одиночного пульсара PSR 2127 + 11 говорит о внутренней причине ускорения вращения, то есть является свидетельством аккреции вещества нейтронной звезды на малую черную дыру внутри. В силу сказанного следует ожидать открытие других одиночных пульсаров с отрицательной производной периода. У этих пульсаров должна быть значительной и вторая производная периода.

Данная модель объясняет сам феномен пульсаров[ Tro 2,4]. Аккреция вещества на керровскую черную дыру носит анизотропный характер, что ведет к образованию выделенных направлений излучения энергии (прожекторов), которые представляют собой особенность пульсаров. Такой характер излучения создает на поверхности нейтронной звезды горячие пятна - источники пульсирующего излучения.

Но перейдем к обсуждению проблем, касающихся более близких к Земле космических объектов: Солнца и других объектов нашей планетной системы.

2.3.Проблема дефицита солнечных нейтрино и центральная черная дыра в модели Солнца (на верх) . Хокинг высказал идею о том, что внутрисолнечная черная дыра массой 10¹⁷г[ Haw 1]: « может быть причиной того, что поток нейтрино от Солнца не совпадает с предсказываемым».

По настоящее время проблема солнечных нейтрино не нашла еще своего решения. Стандартные солнечные модели, предсказывают нейтринный поток для эксперимента с ³⁷С1 порядка 7,9 ± 2,6 SNU [Бака]. В то время как наблюдаемый уровень сейчас составляет 2,1 0,9 SNU [Бака]. Это показывает, что имеется значительное расхождение между предсказаниями стандартных моделей и экспериментами Дэвиса. Все это привело к необходимости рассмотрения альтернативного источника энергии Солнца - центральной, внутрисолнечной черной дыры, на которую аккрецирует солнечное вещество.

Эта идея получила развитие в работах других ученых и дальнейшие расчеты показали, что находящаяся в центре Солнца дыра с массой порядка 10^-5 за счет аккреции может давать половину солнечной светимости[ Clay ]. Это ведет к понижению потока солнечных нейтрино до уровня, который соответствует экспериментальным данным.

Данная модель внутрисолнечной черной дыры встречает трудность следующего рода. Центральная черная дыра уже сейчас дает вклад 51% светимости Солнца при М _BH= 1,5 10^-5М₀. Нет никаких фундаментальных причин, чтобы черная дыра не давала почти всю солнечную светимость.

Но большая светимость для центральной черной дыры имеет следствия для будущего Солнца. Так как масса и светимость внутрисолнечной черной дыры являются возрастающими экспоненциально, то Солнце должно скоро (за время короткое по сравнению с 10⁹лет) покинуть главную последовательность. Это выделяет Солнце в особо редкий класс звезд, имеющих внутренние черные дыры.

Кроме того, надо признать, что мы наблюдаем Солнце в течение весьма специальной эпохи его эволюции, в тот момент, когда светимость черной дыры того же порядка как солнечная светимость за счет горения водорода. Возникает следующая альтернатива.

Либо надо признать, что мы находимся возле звезды редчайшего типа в исключительный момент ее эволюции. Либо признать, что классическая модель аккреции на черные дыры не применима к аккреции сверхплотного вещества на малые черные дыры, для которых необходим учет квантовых эффектов[Тр12]. Более того, аккреция внутри звезд происходит, скорей всего, на фермиотон, то есть, в определенном смысле, происходит возврат к идее об аккреции на нейтронное ядро как источнике энергии звезд [ Land ]. Рассмотрение аккреции звездного вещества на фермиотон должно снять имеющиеся трудности с энергетикой звезд и проблемой дефицита солнечных нейтрино.

Наконец, отметим еще одну идею, высказанную в той же работе[ Clay ], о том, что внутрипланетная черная дыра ответственна за высокую светимость планеты Юпитера. Но, затрагивая этот вопрос, мы переходим к теме, следующего параграфа.

2.4.Черные дыры в планетах (на верх) . На последнем этапе испарения черной дыры происходит взрыв, в котором за 0,1 с выделяется энергия 10³⁰ эрг. Это весьма значительная величина для энергетики планет (тепловой поток земных недр - 3,17 10²⁰ эрг. с^-1, тепловой поток Юпитера - 3 10²⁴ эрг. с^-1, светимость Ио спутника Юпитера - 3 10¹⁹ эрг. с^-1). Таким образом, черные дыры могут быть привлечены для объяснения энергетики планет. Необходимо отметить, что большая часть чернодырочного излучения(гравитационное, нейтринное и другие) свободно уходит в космическое пространство.

Для малых черных дыр возможен и другой механизм энерговыделения - аккреция окружающего вещества. Представляет интерес и возможность выделения энергии при столкновениях малых черных дыр, хотя вероятность подобного рода событий для одиночных отонов крайне мала. Но так как все космические тела представляют собой гравитационно-связанные системы, то нет абсолютно никаких оснований делать подобное исключение для отонов. А в этом случае вероятность столкновения малых черных дыр резко возрастает.

Наиболее характерным образом могут проявлять себя черные дыры в планетах как точечные гравитационные массы и «горячие» точки, а также как различного рода аномалии: динамические, гравитационные, геотермические, геохимические, магнитные, как аномальные источники частиц и другие. Динамические аномалии во вращении планет проявляются в изменениях периода вращения и смещениях полюсов.

Гравитационные аномалии на Земле достигают 500 мГал [Гра1], [Гру1,2] и существуют трудности в их понимании. Малые черные дыры являются наилучшими кандидатами на роль «точечных масс».

Более значительные гравитационные аномалии были обнаружены на Луне и Марсе[Гру1,2], [Саги]. Так на Луне в области масконов отношение значения гравитационных аномалий к величине напряженности гравитационного поля на порядок больше чем на Земле.

Еще более выразительная гравитационная аномалия обнаружена на Марсе в области гор Фарсида, которая представляет единственный маскон, доминирующий в гравитационном поле Марса. Асимметрия гравитационного поля такова, что ареоид можно представить моделью сферической планеты с точечной массой в области гор Фарсида. Возможно, малые тела Солнечной системы обладают еще более аномальным гравитационным полем, что будет свидетельствовать в пользу существования черных дыр.

Планеты, в особенности земной группы, в некотором отношении, представляют собой химические аномалии, так как ее состав разительно отличается от среднего химического состава космического вещества, в котором преобладает водород и гелий. Для планет нужны специфические механизмы образования элементов, чтобы объяснить имеющейся химический состав. Нужны особые условия для протекания термоядерных реакций синтеза в планетах. В частности, обнаружение аномально большого количества легкого изотопа гелия-3 говорит о термоядерных реакциях в земных недрах.

Таким образом, к двум общеизвестным механизмам образования химических элементов (Большой взрыв и звезды) и двум недавно предложенным механизмам(белые дыры и аккреционные диски черных дыр), можно добавить пятый механизм: термоядерный синтез в веществе, прогреваемом излучением микро-черной дыры. Это поможет снять трудности, связанные с образованием некоторых тяжелых элементов.

Микро-черные дыры могут моделировать как неподвижную «горячую точку», так и «мигрирующий» центр вулканической активности. Трудности в объяснении энергетики планет-гигантов, а в особенности, грандиозная вулканическая активность на Ио[ Hubb ] требует поиска новых источников энергии, которыми и могут явиться черные дыры.

В заключении обсудим вопрос о возможности взрывов микро-черных дыр в телах Солнечной системы. Интересна возможность связи солнечных вспышек со взрывом микро-черных дыр, но выделение взрыва сравнительно небольшой энергии 10³⁰эрг, на фоне мощного потока солнечной энергии (3,81 10³³эрг с^-1) требует специального анализа.

В отношении взрыва микро-черной дыры представляет интерес Юпитер, у которого мощность теплового потока равна 3 10²⁴эрг с^-1. Черная дыра, обладающая такой мощностью, должна взорваться в течении ближайших десятилетий, причем мощность излучения должна возрастать как . Если же взрывающаяся черная дыра находится в глубинах планеты, то тепловой поток от взрыва на поверхности планеты появится значительно позже. Взрыв же может быть зафиксирован по вспышке нейтрино с энергией порядка 10⁸Мэв и по сейсмическим проявлениям.

Реликтами взрывов и(или) столкновений черных дыр вполне могут быть кольца вокруг планет-гигантов, пояс астероидов между Марсом и Юпитером(остатки взрыва планеты Фаэтон) и другие малые тела Солнечной системы[Тр10,12; Tro 2,6].

В заключении, упомянем оригинальную идею М.Д. Фогга об использовании черных дыр при искусственном создании землеподобных галилеевских спутников[ Fog 2]. От фантастических проектов использования черных дыр земной цивилизацией в будущем, перейдем к обыденным проявлениям земных черных дыр. Вначале обсудим особенности отонов земного спектра масс.