Нам известно, что черная дыра — это-«объект, гравитация поверхности которого не позволяет оторваться от нее даже свету», и все же она может излучать энергию в пространство, что выглядит противоречивым. В самом деле, феномен излучения черной дыры — это квантово-механический эффект, который невозможно понять в рамках только лишь общей теории относительности. Испарение черной дыры — один из нескольких вычислимых результатов, относящихся к области квантовой гравитации.
Квантово-механический процесс, вызывающий испарение черной дыры, открыл в 1974 году Стивен Хокинг; именно в его честь он получил название излучения Хокинга. Излучение Хокинга, испускаемое поверхностью звездной или сверхмассивной черной дыры, состоит, главным образом, из протонов и нейтрино, а также некоторой доли гравитонов. Спектр излучения, испускаемого черной дырой, имеет точно такую же форму, как и спектр абсолютно черного тела, который испускается объектом, имеющим однородную неизменную температуру (как уже обсуждалось в первой главе). Температура конкретной черной дыры определяется ее массой: чем больше черная дыра, тем ниже ее температура. Черная дыра с массой Солнца имеет температуру лишь на 0,0000001 градуса выше абсолютного нуля, тогда как сверхмассивные черные дыры намного холоднее.
Тепловое излучение черной дыры можно объяснить квантовым принципом неопределенности Гейзенберга. Исследуя свойства белых карликов, мы видели, что принцип неопределенности не позволяет нам точно знать одновременно импульс и положение частицы. Аналогичным образом, принцип неопределенности предполагает, что энергия системы и временной промежуток, на протяжении которого эта система содержит определенное количество энергии, невозможно знать точно одновременно. Эта энерговременная форма принципа неопределенности Гейзенберга означает, что закон сохранения энергии справедлив в среднестатистическом случае, но не в абсолютно точном смысле. Закон сохранения энергии может нарушаться при условии, что это нарушение имеет место в течение достаточно короткого времени. Более значительные нарушения закона сохранения энергии происходят в течение более коротких промежутков времени. Пары частиц, называемых из-за их временного статуса виртуальными частицами, беспрерывно создаются из квантовой материи пространства. Эти частицы живут лишь очень короткое время, по истечении которого они должны вновь аннигилировать — превратиться в ничто. Один из способов, позволяющих получить хоть какое-то представление об этой необычной концепции виртуальных частиц, — вообразить, что вакуум, который считается пустым пространством, способен заимствовать энергию. Пары виртуальных частиц получают энергетическую «ссуду», после чего проживают короткий промежуток времени, «взятого взаймы», а потом бывают вынуждены отдать свой долг вакууму и исчезнуть.
Чтобы понять, как данная концепция связана с испарением Хокинга, представьте пару виртуальных частиц, образовавшихся неподалеку от горизонта событий черной дыры. В краткие мгновения существования этой пары один из ее членов может упасть в черную дыру и тем самым приобрести энергию. Если таким образом приобретается достаточное количество энергии, частицам удается продвинуться из положения временных виртуальных в разряд реально существующих. Чтобы это произошло, для создания массы-энергии частиц используется небольшая доля гравитационной энергии черной дыры. Обретя реальное существование, вторая частица из пары — та, которая не падала в черную дыру, — может спастись. Во многих случаях вновь созданная частица упадет в черную дыру и полностью компенсирует ей оказанную энергетическую поддержку. Однако может случиться и так, что вторая частица вырвется из «лап» черной дыры и улетит в космос. После такого побега масса-энергия черной дыры немного уменьшится. Получится, что черная дыра отдала часть своей энергии окружающей Вселенной.
Есть еще один способ визуального представления образования частиц посредством эффекта Хокинга. Он связан с невероятно огромными приливными силами, которые действуют вблизи поверхности черной дыры. Когда создаются пары виртуальных частиц, эти мощные приливные силы могут растащить их, из-за чего те уже не смогут аннигилировать друг с другом. Приливная сила совершает над парой частиц работу и тем самым наделяет их энергией. Если пара получит достаточное количество энергии, то есть если приливная сила совершит достаточную работу, то частица может сменить свой статус виртуальной на положение реальной частицы, уносящей энергию, изначально принадлежавшую черной дыре.
Как бы там ни было, в результате процесса Хокинга черная дыра испускает излучение и частицы, уносящие ее энергию. Таким образом черная дыра медленно теряет свою энергию и, соответственно, массу. По истечении достаточно продолжительных промежутков времени утечка энергии, вызванная излучением Хокинга, берет свое, и черная дыра постепенно испаряется.
Согласно одному из законов термодинамики тепло должно распространяться из областей повышенной температуры в более холодные области, но не наоборот. Поскольку черные дыры излучают тепло (энергию), значит, они должны иметь и температуру. Каждая из черных дыр немного горячее абсолютного нуля — температуры холодного пустого пространства. Эти температуры черных дыр невероятно малы: черная дыра с массой Солнца имеет температуру всего в одну десятимиллионную (10 -7) градуса Кельвина. Более крупные черные дыры держатся за свою массу-энергию крепче, излучают куда менее эффективно и имеют еще более низкие температуры. Температура поверхности черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Черная дыра с массой трех миллионов Солнц, расположенная в центре нашей Галактики, имеет фактическую температуру менее 10 -13градусов Кельвина. Самые большие черные дыры, которые весят как миллиарды Солнц и живут в центрах активных галактик, имеют еще более низкие температуры.
Вселенная погружена в море излучения, оставшегося от первичной эпохи, начавшейся сразу после Большого взрыва. Это космическое фоновое излучение придает Вселенной фактическую температуру, в настоящее время составляющую около трех градусов Кельвина. Вселенная, имеющая такую температуру, значительно горячее черных дыр, поэтому в настоящее время космической истории тепло переходит от Вселенной к черным дырам. И хотя этот эффект относительно мал, черные дыры, поглощая излучение, действительно наращивают массу. Однако по мере старения Вселенной поля фонового излучения растягиваются до больших длин волн, вследствие чего фактическая температура падает. В некоторый момент времени в будущем, когда Вселенная наконец станет достаточно прохладной, черные дыры отдадут свою энергию и массу окружающей их Вселенной. Время этого перехода зависит от того, насколько быстро расширяется Вселенная — является ли Вселенная открытой или замкнутой — и от массы черных дыр.
В случае плоской Вселенной температура неба становится ниже температуры черной дыры с массой Солнца в двадцать первую космологическую декаду. Для черных дыр, масса которых составляет миллион солнечных, этот переход случится в тридцатую космологическую декаду. Черные дыры, содержащие миллиард солнечных масс, соответственно, начинают испаряться в тридцать пятую космологическую декаду. К началу эпохи черных дыр все, кроме самых больших черных дыр, активно излучают энергию и теряют массу.
В дополнение к космическому фоновому излучению море излучения, пронизывающее Вселенную будущего, образуется также в результате аннигиляции темной материи и распада протонов в белых карликах. Это дополнительное фоновое излучение также отсрочивает испарение черных дыр. Однако, в конце концов, вследствие расширения Вселенной эти поля излучения растягиваются до достаточно низких температур, так что черные дыры начинают излучать энергию быстрее, чем поглощать ее.
Полное время жизни черной дыры зависит от ее начальной массы. Черные дыры большего размера имеют большую массу, которую они могут излучать, более низкие температуры и живут дольше. Черная дыра с массой Солнца испаряется примерно за шестьдесят пять космологических декад (сто тысяч квадрильонов квадрильонов квадрильонов квадрильонов лет) — время настолько долгое, что записывать его таким образом кажется почти смешным. Самые маленькие черные дыры, которые, согласно предположениям ученых, существуют в значительных количествах, имеют массы, в три-пять раз превышающие массу Солнца, и испарятся в шестьдесят седьмую космологическую декаду.