6.Некоторые вопросы излучения земных черных дыр

6.1.Законы физики черных дыр и проблема “тепловой смерти” Вселенной. 6.2.Нейтринное излучение малых черных дыр.
6.3.Взрывы черных дыр. Планковские частицы. Теории Великого объединения.
6.4.Релятивистская геологоразведка нефти и термоядерные реакции в земных недрах.

---

6.1.Законы физики черных дыр и проблема «тепловой смерти» Вселенной (на верх) . При исследовании черных дыр выяснилось, что их законы подобны началам термодинамики. Сделаем небольшое отступление, рассмотрев интереснейшую проблему «тепловой смерти» Все­ленной, связанную с началами термодинамики.

Черные дыры обладают одним свойством, принци­пиально отличающим их от классических астрофизи­ческих объектов: они только поглощают излучение и вещество. Это свойство черных дыр нашло отражение в так называемой теореме Хокинга, доказавшего, что площадь черных дыр не уменьшается ни при каком классическом взаимодействии их между собой и с окру­жающей средой.

Благодаря работам С. Хокинга, Дж. Бекенштейна и других ученых были сформулиро­ваны законы физики черных дыр, по форме математи­ческой записи совпадающие с законами термодина­мики [Beck],[Haw2,3],[ Хок3,4 ],[ Шяма ],[ Фро1,2 ] .

Эквивалентами термодинамических величин - энтропии и температуры - в физике черных дыр явля­ются соответственно площадь поверхности и поверх­ностная гравитация. Уменьшение температуры или уве­личение энтропии черной дыры соответствует увеличе­нию ее массы, то есть с увеличением энтропии связано не рассеяние, а концентрация материи.

Итак, законы физики черных дыр связаны с необ­ратимым характером концентрации космического ве­щества и излучения. Впервые в науке предсказаны и открыты объекты, которые могут противостоять термо­динамическим процессам рассеяния энергии. В будущем звездные объекты и космические системы должны закончить свою эволюцию образованием черных дыр. И со временем эра преобладания процессов рассеяния излучения и энергии должна смениться эрой их концентрации.

Взаимопереходы форм движения и энергии в космосе можно представить следующим образом [ Тро1, 9 ] . Рассеянная энергия излучения в исходном ПВМ (отонном мире) М(0,+) (смотри рис.1.4.1.), концентрируясь в ПВМ черных дыр M(0,i), превращается в кинетическую энергию движения. Коллапс материи отона в области М(0,-) переходит в антиколлапс, происходит своеобразный отскок материи отона: сжатие сменяется отталкиванием. Затем кинетическая энергия рассеива­емой материи белой дыры в областях M(1,-i), M(i,+) превращается в гравитационную потенциальную энер­гию.

Фрагментация рассеянного вещества в другом отонном мире М(1,+)ведет к переходу потенциальной энергии в тепловую. Этот процесс, нарастая, приводит к образованию звездных объектов, в которых тепловая форма движения дает жизнь ядерной. В результате ядерных реакций в звездах создаются устойчивые кос­мические термодинамические потенциалы.

Таков воз­можный круговорот форм движения и энергии, ведущий к восстановлению термодинамической активности ма­терии. Но вернемся к земным микро-черным дырам, которые испускают различного рода излучение, в частности, нейтринное.

6.2. Нейтринное излучение малых черных дыр (на верх) . Одной из самых характерных особенностей отонов малых масс является эффект Хокинга. Спектр излучения черных дыр(ЧД) был рассчитал впервые Пейджом [Pag2,3] , который затем был уточнен [ Чер1 ] . Интегральную мощность излучения черной дыры для различных случаев можно выразить формулой:

 

P_BH = (k_g + k _n + k _g + k_e + k_N) P_c (M_c/M_BH)² .

 

                                   k_g + k _n + k _g + k_e + k_N = 1 ,                             (6.2.1.)

 

где коэффициенты ( k ) означают часть мощности излучения черной дыры, которые приходятся на различные типы частиц: k_g (гравитоны), k _n (нейтри­но), k _g (фотоны), k_e (лептоны), k_N (барионы).

Для любых масс ( M _вн < 10^10,5 кг) и больших мощностей изучения черных дыр продукты излучения су­щественно зависят от модели сильного взаимодействия при сверхвысоких энергиях и спектра масс элементарных частиц, что недостаточно исследовано. Поэтому для спектра излучения черной дыры имеются данные лишь для трех случаев [ Фро1,2 ], [ Нов5 ] , которые приведены в таблица 6.2. 1.

 

Таблица 6.2. 1.

Мощность и спектр излучения черных дыр различных масс:

P_BH = (k_g + k _n + k _g + k_e + k_N) P_c (M_c/M_BH)²   

 

 

В связи с принципиальной возможностью экспериментальной реги­страции излучения частиц высоких энергий, в том числе нейтрино, от земных ЧД приведем более точные расчеты характеристик излучения нейтринного потока, согласно совместной с В.С. Гуриным работе [ Тр18 ], [Tr11] . Сосредоточим внимание на излучении от невращаюшейся ЧД, так как интегральные характеристики излучения мало зависят от факта вращения. Кроме того, быстро вращающаяся и тем более заряженная ЧД внутри плотных небесных тел будет быстро сбрасывать момент вращения и заряд из-за взаимодействия с окружающим веществом.

Уменьшение массы ЧД за счет излучения одного вида частиц с квантовыми числами 1,т,р происходит по закону

 

,           (6.2.2.)

 

где М - масса ЧД в данный момент,   - энергия частиц (использованы геометризованные единицы G = с = 1). Учитывая доминирующий вклад от мод с 1 = s = 1/2 для безмассового нейтрино

 

,                                            (6.2.3.)

 

а для массивных частиц с массой покоя   и спином 1/2

 

.                (6.2.4.)

 

Спектр излучения задается подинтегральным выражением (6.2.2.)с соответствующей подстановкой (6.2.3.)или (6.2.4):

 

.                            (6.2.5.)

Ниже представлены результаты расчетов для параметров ЧД, которые предположительно могли бы находиться в недрах Земли.

Спектр излучения безмассового нейтрино шварцшильдовской ЧД представляет собой почти симметричную колоколообразную кривую, по­ложение максимума которой определяется массой ЧД. Можно видеть, что энергетика излученных частиц весьма существенно зависит от этого единственного здесь параметра ЧД: так, если основная доля нейтрино, излучаемая ды­рой с М > 10¹² г попадает в область энергий менее 10 МэВ, то переход к ЧД с М < 10¹² г дает основной вклад от нейтрино с энергиями бо­лее 1 ГэВ, а для ЧД с М < 10¹⁰ г - излучаются нейтрино с энергиями более 1 ТэВ. Это обстоятельство важно для анализа проблемы регист­рации нейтрино, возникающих при квантовом испарении микро-ЧД, так как в отличие от солнечных, когда энергии не превышают 15 МэВ, в слу­чае ЧД указанного диапазона масс следует ожидать значительно (на 3-4 порядка) более энергетических частиц, которые могут быть и легче заре­гистрированы из-за большего сечения поглощения в веществе (см. ниже).

Положение максимума на спектре определяет область энергий нейтрино, которые следует ожидать от соответсвующих ЧД, и может быть опреде­лено из трансцендентного уравнения ln ( x - 2) = -х, где , что дает (в геометризованных единицах):

 

.

 

Полный поток излучаемой энергии за счет рассматриваемого про­цесса в виде нейтрино (или поток частиц) по всему спектру либо по не­которому спектральному интервалу получается при интегрировании вы­ражений для   и также сильно возрастает с уменьшением массы ЧД.

Если допускать возможность массы покоя у нейтрино, что вполне вероятно по современным данным: < 17 эВ;  < 0,27 МэВ;  < 35 МэВ, то представляет интерес проанализировать ха­рактер излучения этих частиц за счет эффекта Хокинга, т.е. частиц с теми же квантовыми числами, но обладающих ненулевой массой покоя по фор­муле (6.2.3.).

Для нейтрино четвертого поколения, для которого оценка массы значительно боль­ше: ~ 45 ГэВ, спектр излучения может существенно измениться, но испускание   тогда будет происходить наряду с другими тяжелыми час­тицами спина 1/2 протонами, нейтронами, мюонами и др. Все значительно меньшие массы для   и   для М_чдменее 10¹⁴ - 10¹⁵ г практически не изменяют спектр и общий поток излучаемых нейтрино. В целом, харак­тер спектра сходен с таковым для безмассовых частиц, а значения для полного потока и положение максимума спектра отличаются не­существенно.  Вид спектров   подобен таковым для числа частиц, и его интегрирование дает скорость потери массы ЧД, dM/dt, ко­торая оказывается обратно пропорциональной М².

Для решения вопроса о регистрации нейтринного потока от ЧД, на­ходящихся предположительно внутри планет, рассмотрим оценки для се­чений поглощения нейтрино, например , за счет взаимодействий с элек­тронами в невырожденном электронном газе (взаимодействия с нуклонами имеют меньшие сечения),которые могут иметь место при его детектировании. Величина сечения в сильной степени зависит от энергетики и определяется согласно следующим формулам [ Lang ]:

 

                       ,   ,                     (6.2.6.)

 

     ,  ,                    (6.2.7.)

 

где т - масса электрона.

Можно заметить, что в обоих случаях более вероятно детектирование частиц с более высокой энергией, доля которых велика для ЧД меньшей массы. В отличие от энергий солнечных нейтрино земные ЧД могут излучать нейтрино с энергиями более 10³ МэВ, что на 2-3 порядка повышает сечение поглощения. Следовательно, при помещении детектора нейтрино на близком расстоянии от предполагаемого места локализации (выхода на поверхность) ЧД детекторы уже существующих конструкций должны фиксировать резкое превышение потока частиц по сравнению с фоновым и солнечным, причем направленность этого высокого потока бу­дет свидетельствовать о возможном расположении его источника - ЧД.

Одним из предполагаемых мест на Земле являются действующие вулка­ны [Tro2, 6 ], однако существующие нейтринные детекторы располагаются безотносительно к геологической активности, в связи с чем ими и не мог­ли быть зарегистрированы аномально высокие потоки от локализованных источников, так как они быстро убывают при удалении от источника.

Приведенные выше формулы отражают вклад в излучение от одного из видов частиц спина 1/2, а в действительности ЧД будет излучать и другие частицы [Pag2,3] , [Olie], [Mac1,2] . Для учета излучения нейтрино и антинейтрино трех поколений в случае их безмассовости вычисленные значения потока следует умножить на 6. Если же нейтрино имеют ненулевую массу по­коя, то вклад каждого будет незначительно различаться, и для проблемы регистрации необходимо каждый тип нейтрино рассматривать в отдель­ности.

Поскольку четвертый возможный тип нейтрино, по-видимому, если и существует, то обладает намного большей массой покоя, нежели осталь­ные ( 45 ГэВ), то его вклад в излучение ЧД будет проявляться уже после нуклонов и гиперонов для ЧД с М << 10 ¹⁰ г. Черные дыры должны излучать практически все частицы вплоть до планковских, что само по себе имеет принципиальную научную важность.

6.3. Взрывы микро-черных дыр. Планковские частицы. Теории Великого объединения (на верх) . Взрывы черных дыр, скорее всего, происходит в центральной области Земли, которая представляет своеобразное хранилище предвзрывных и взрывных черных дыр. Пространственная об­ласть ядра Земли для гравитационных объектов является выделенной - это область наиболее древней части гравитационной потенциальной «ямы», в которой должны находиться наиболее древние и короткоживущие черные дыры. Эти обстоятельства дали основание для проекта регистрации планковских частиц, которые являются тестом для проверки теорий Великого объединения, от взрывающихся микро-черных дыр(МЧД).

В развиваемом в данной монографии подходе МЧД рассматриваются как «зародыши» (центры конденсации обычного вещества) космических тел, то есть МЧД не захватываются космическими телами, а изначально в них присутствуют. Из этого подхода вытекают три принципиально важных вывода.  Во-первых, ограничения на количество МЧД, связанные с хокинговским излучением, автоматически снимаются (хокинговское излучение термолизуется в веществе). Во-вторых, новейшие космологические сценарии, в частности, инфляционная космология открывает новые возможности в проблеме образования МЧД. В-третьих, МЧД в составе планетезималий и астероидов могут быть захвачены гравитационным полем Земли.

Предшествующие исследования по регистрации взрывов черных дыр велись в другом направлении. Во-первых, их искали не в глубинах Земли, а в глубинах Космоса. Во-вторых, их пытались регистрировать не по нейтринному излучению, а по электромагнитному. Для регистрации нейтринных всплесков можно использовать любые имеющиеся нейтринные детекторы, так как все они, примерно, равноудалены от области нахождения черной дыры. Желательно лишь понизить на порядок величину энергии регистрируемых нейтрино. В имеющихся глубоководных нейтринных детекторах эта величина равна 50-100 Гэв, а необходимо, чтобы уверенно зафиксировать черную дыру за несколько лет до ее взрыва, регистрировать нейтрино с энергией порядка 10 Гэв.

Предвзрывная черная дыра с Мвн10⁹кг излучает в течение несколь­ких лет нейтрино с энергией порядка 10 Гэв, поток которых на поверхности Земли 10⁹м^-2с^-1. Энергия и поток нейтрино будут возрастать со временем. В последние дни перед взрывом черная дыра будет излучать нейтрино с энергией 100 Гэв и 10¹⁰м^-2с^-1. Энергия и поток ней­трино начнут резко возрастать и в последние минуты черная дыра будет излучать нейтрино с энергией до 10 Тэв, а поток составит величину 10¹²м^-2с^-1. Заканчивается взрыв черной дыры тем, что в доли се­кунды происходит всплеск нейтрино с энергией более 100 Тэв [ Тр12, Tro6] .

Если даже предвзрывных черных дыр достаточно много, взрываться они должны в одиночку. Дело в том, что со временем разница в массе черных дыр сказывается все сильнее на процессы их испарения. Чтобы черные дыры взрывались одновременно, их массы должны быть равными с высокой сте­пенью точности: так, для черных дыр с массами порядка 10¹¹ кг различие в величине масс не должно быть более трех миллионных доль. Таким образом, черные дыры приближаются к своему финишу (взрыву) в одиночку и нейтринное излучение от них должно начать резко выделяться от нейтринного фона, образованного другими предвзрывными черными дырами.

Исследовательский проект призван разработать практически осуществимый эксперимент по регистрации взрывов земных МЧД. В первую очередь, это касается нейтринного эксперимента, так как по всплескам нейтринного излучения при взрывах МЧД уже имеются предварительные теоретические разработки. Во-вторых, возможна постановка вопроса о регистрации массивных частиц  (лептонов и адронов). Дело в том, что при взрыве МЧД даже в центре Земли следует ожидать повышенный поток частиц сверхвысоких энергий, так как длина пробега рождающихся ультрарелятивистских частиц оказывается сравнимой с величиной земного радиуса. В третьих, требует своего анализа сверхжесткое гравитационное излучение от взрывающихся МЧД на предмет возможности его регистрации. Наконец, при взрыве МЧД должны возникать сейсмические волны.

Первой задачей проекта является определение потока нейтрино через земную поверхность и количество актов поглощения вблизи земной поверхности от взрывающейся в центре Земли МЧД. Затем необходимо сопоставить эти характеристики с параметрами имеющейся аппаратуры по регистрации нейтрино сверхвысоких энергий в проектах Дюманд и Байкальский, а также с параметрами другой аппаратуры по регистрации частиц сверхвысоких энергий. Требует анализа проблема регистрации потока нейтрино с быстро меняющимся спектром: за доли секунды величина энергии нейтрино, от взрывающейся МЧД, может меняться на порядок. Потребуется тщательный анализ уже имеющихся экспериментальных данных по регистрации частиц сверхвысоких энергий, как с целью выявления искомых всплесков нейтрино, так и определения возможных ограничений на частоту взрывов МЧД.

Особый интерес представляет возможность регистрации массивных частиц (лептонов и адронов), которые во множестве рождаются во время взрыва МЧД. Дело в том, что длина пробега рождающихся при взрыве ультрарелятивистских частиц становится сравнимой с радиусом Земли, то есть открывается возможность их регистрации вблизи земной поверхности. Более того, регистрация нейтринного излучения от МЧД и определение энергии нейтрино может дать значение массы МЧД. Это значит, что возможно предсказать время взрыва МЧД, то есть время прихода на поверхность Земли ультрарелятивистских частиц, имеющих сверхвысокие энергии вплоть до планковских величин. А предшествующее повышение энергии нейтрино может служить «сигналом» о приближающемся взрыве МЧД.

 Таким образом, регистрация взрывов МЧД может открыть путь решения не менее важной задачи - экспериментальной проверке единой физической теории всех фундаментальных взаимодействий. Технические возможности совершенствования колларайдеров на пути к субпланковским энергиям ограничены и с неизбежностью встает вопрос о природных источниках частиц субпланковских энергий. В настоящее время малые черные дыры - это пока единственно известные науке объекты, которые могут продуцировать частицы субпланковских энергий. Земные же МЧД могут послужить важнейшими элементами своеобразной «лаборатории» для проверки теорий Большого объединения или супергравитации.

И как бы не была мала вероятность взрывов МЧД в Земле, проблема их регистрации заслуживает самого тщательного исследования, ибо это единственный способ узнать что-либо из эксперимента о физике максимально больших энергий. Более того, имеются геофизические свидетельства испарения и взрывов черных дыр, некоторые из которых будут кратко отмечены в следующем разделе.

6.4. Релятивистская геологоразведка нефти и газа и термоядерные реакции в земных недрах (на верх) . Существование отонов в Земле должно вести к геологическимследствиям. Дело в том, что области земной поверхности, вблизикоторых находятся черные дыры, должны быть особенными в геологи­ческом отношении, так каквоздействие отонов может аккумулироваться в те­чение длительного времени [ Тр12 ] .

Любые месторождения полезных ископаемых означают определенную степень локализации, которая, возможно, может быть объяснена тем или иным воздействием отонов. В геологии давно отмечалась корреля­ция древнего вулканизма с теми или иными месторождениями полезных ис­копаемых. А так как вулканизм может быть связан с действием отонов, а расположение отонных особеннос­тей на Земле определённым образом упорядочено, то можно прогнозировать расположение месторождений на земной поверхности.

Земля, в некотором смысле, представляет собой химическую аномалию, так как ее состав разительно отличается от среднего химического состава космического вещества, в котором преобладает водород и гелий. Это объясняется тем, что легкие газы ( водород и гелий ) в процессе эволюции улетучились из вещества Земли. Но обнаружение в земных недрах аномально большого количества легкого изотопа гелия-3 входит в противоречие с гипотезой об улетучивании гелия, так как гелий-3 может образовываться только в результате термоядерной реакции.

Чтобы выйти из этого противоречия необходимо предложить земное происхождение гелия-3 в результате термоядерных реакций. Это поможет снять трудности, связанные с образованием некоторых тяжелых элементов [ Тр17 ] . Поэтому не исключено, что в магматических камерах вулканов происходит образование элементов, на что указывает корреляция аномалий ³Не с вулканами.

Распад же фермиотонов может вести к образованию месторождений трансурановых элементов. Испарение и взрывы черных дыр могут раскрыть тайну кемберлитовых трубок, с которыми связывают месторождения алмазов [ Тр16 ] .

Отоны, имеющие соответствующие параметры, могут быть источниками энергии для образования химических соединений, газовых и жидких носи­телей энергии (углеводородов). Выявляя пространственное расположение в Земле отонов, релятивистская (отонная) геология может прогнозировать расположение гигантских месторождений нефти и газа в нетрадиционных геологических районах [ Тр16 ] . В любой теории происхождения углеводородов (органической или неорганической) требуется источник энергии для их образования. Такими источниками могут быть отоны.

Появление отонов в месторождении угле­водородов должно сопровождаться вариациями гравита­ционного и электромагнитного полей, что вносит принципиально новые эле­менты в геофизическую разведку. По этим особенным вариациям физических полей можно регистрировать отоны. Более того, становится возможным обнаружение гигантских месторождений нефти и газа вблизи перерабатывающих комплексов или мегаполисов [ Тр16 ] . Эта даст не только даст громадные доходы за счет резкого снижения транспортных расходов, но и приведет к уменьшению опасности экологических катастроф.

Испарения и взрывы черных дыр переводят материю из сверхплотного состояния в обычное, что ведет к грандиозному расширению объема, занимаемого веществом. Так как при испарении МЧД(или их столкновениях) значительная часть энергии в форме слабовзаимодействующего с земным веществом излучения (гравитационное, нейтринное и другие) уносится в космос, то это может приводить к уменьшению общей массы Земли. Все эти свойства земных отонов можно привлечь для объяснения механизма расширения Земли, представление о котором вводится в одной из теорий геодинамики [ Кэри ] .

Согласно этой геодинамической концепции за 200 миллионов лет Земля должна была расшириться на 20% от своего первоначального объема. Такое расширение может обеспечить переход вещества из отонного, сверхплотного состояния в обычное, происходящей со скоростью 10⁸ кг/сек. Для обеспечения такой скорости поступления вещества из отонов необходимо, чтобы в Земле находились одновременно сто миллионов испаряющихся черных дыр с М_о = 10⁹ кг [Tro6] . Конечно, спектр масс черных дыр, обеспечивающих поступление из отонов обычного вещества в Землю, может быть самым различным, как и различными могут быть чернодырочные проявления вблизи земной поверхности.

Трофименко А. П. © 2003