Как сквозь Землю

Путешествуя во Вселенной, черные дыры рано или поздно столкнутся с нашей планетой. Последствия поражают… Астрофизики из Принстонского университета (США) вместе с коллегами-математиками из немецкого Института исследований солнечной системы Макса Планка выяснили, что произойдет с Землей при столкновении с уникальными образованиями — первичными черными дырами, которые еще называют реликтовыми. Эти объекты, как предполагается, образовались при рождении Вселенной и в отличие от своих более массивных собратьев, поглощающих все и вся, никого и ничего не пожирают, а спокойненько перемещаются себе по Вселенной, правда, хаотично, не придерживаясь определенной орбиты.

Для своего исследования ученые создали сложную математическую модель, которая показала, что миниатюрная черная дыра радиусом всего 1,5 фемтометра (это лишь в два раза больше радиуса протона), но массой 10 в 15-й степени граммов (миллиард тонн), столкнувшись с Землей, неминуемо вызовет землетрясение силой 4 балла. И событие это будет далеко не рядовым. При обычном землетрясении сейсмическая волна зарождается в точечном эпицентре и затем может несколько раз обогнуть Землю со скоростью распространения ударных волн. В случае же столкновения планеты с первичной черной дырой сейсмическая волна сфероидальной формы накроет почти одномоментно всю поверхность планеты. То есть Земля без преувеличения задрожит мелкой дрожью, которая может запросто оказаться предсмертной агонией. Например, рост амплитуды колебаний на всей поверхности Земли приведет к резонансу, из-за которого земной шар лопнет в местах соединения литосферных плит от перенапряжения. Насколько реален апокалиптический сценарий?

Сразу скажем, что международной группой исследователей двигали не обычное любопытство и вовсе не стремление успокоить граждан, начитавшихся фантастических романов. Ученые ставили перед собой куда более фундаментальные задачи, а именно обнаружение этих самых первичных черных дыр, где Земля должна выступать как обычный детектор. Первичные черные дыры описаны лишь теоретически. Для них, опять же в теории, имеется множество ограничений по массе и количеству. Максимальная масса такой черной дыры составляет 10 в 15-й степени граммов. Именно такую величину в качестве объекта исследований и взяли астрофизики. Если же масса объекта больше, то он уже представляет собой обычную черную дыру, которая может сталкиваться со звездами, планетарными системами и поглощать их, вызывая взрыв. Минимальная масса первичной черной дыры — 10 в минус 5-й степени граммов. Но такие крохи за время жизни Вселенной, то есть около 14 миллиардов лет, согласно расчетам уже все испарились. Потому ученые сходятся во мнении: если первичные черные дыры и сохранились во Вселенной, то совсем в небольшом количестве. «Если бы их было много, они бы испарялись и мы видели фон мощного гамма-излучения», — поясняет старший научный сотрудник сектора теоретической астрофизики Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе кандидат физико-математических наук Александр Иванчик. Хотя еще совсем недавно, лет десять назад, рассматривались варианты, что первичные черные дыры могут являться частью темной материи, которой в пять раз больше, чем обычной. Однако американские астрофизики утверждают, что это не так и лишь примерно восемь процентов темной материи могло приходиться на первичные черные дыры. Какова же все-таки вероятность столкновения таких реликтовых объектов с Землей? Один из авторов исследования — математик Франс Преториус оценивает ее как один раз на сотни тысяч лет. Впрочем, есть и другие мнения на сей счет. Например, рассматривается гипотеза, что некоторые случавшиеся на нашей планете землетрясения как раз и были вызваны столкновениями с первичными черными дырами. Однако ни доказать, ни опровергнуть этот факт ученые пока не могут, поскольку измерения сейсмической активности начали проводиться сравнительно недавно, а без данных о характере колебаний нельзя точно сказать, какое явление их вызвало. Тем более невозможно установить, были ли эти колебания сферическими и одномоментными на всей Земле. В своей математической модели исследователи рассчитали последствия пролета сквозь Землю первичной черной дыры с огромной скоростью — от 200 до 400 километров в секунду. В этом случае весь ее путь займет по времени меньше минуты, и она полетит дальше путешествовать по Галактике. За такое короткое время она не успеет поглотить ни грамма земного вещества, а лишь вызовет сферические колебания. Однако если скорость первичной черной дыры окажется меньше, она может быть захвачена гравитационным полем Земли. Если это всего лишь одна черная дыра, ничего страшного не произойдет. Но вот несколько угодивших в планету и «запутавшихся» в ней объектов способны поменять динамику ее движения, скорость обращения вокруг Солнца и даже со временем поглотить ее. А потом, разросшись, и всю Солнечную систему. Ученые не отрицают такого варианта, как, впрочем, и того, что первичные черные дыры могут к нам прилететь вовсе не из глубин Галактики, а образовываться при высокоэнергетичных столкновениях элементарных частиц. В частности, такое может произойти на Большом адронном коллайдере. «Для образования трехмерных черных дыр у коллайдера пока не хватает энергии, но если наше пространство многомерное, то есть имеет больше трех измерений, то гипотетически могут существовать и многомерные черные дыры, для рождения которых энергии коллайдера могло бы уже хватить», — считает Александр Иванчик. Впрочем, это уже сценарий для фильма-катастрофы. Только представьте себе, как черная дыра, образовавшись в предгорьях Альп, сперва втянет в себя коллайдер, потом Швейцарию с Францией, а потом и всю Землю. Такая черная дыра может разрастись до звездных размеров и дальше существовать во Вселенной без изменений. Не стоит забывать и о том, что в природе существуют космические лучи сверхвысоких энергий. Во время их столкновений со звездами или планетами теоретически могли бы образовываться многомерные первичные черные дыры минимальных масс. Их уникальность в том, что они образуются мгновенно и так же быстро распадаются наподобие нестабильных элементарных частиц. «Первичная черная дыра, по современным представлениям, ничем не хуже, чем другие частицы. Если хватит энергии для ее образования, она возникнет», — уверен Александр Иванчик. Но, скорее всего, такая черная дыра будет нестабильной и, образовавшись, мгновенно распадется, если только сама себя не подкормит, поглотив попавшее в зону ее влияния вещество. Успокаивает одно: сценарий атаки реликтовой черной дыры все же маловероятен. И наша планета, и Солнце облучаются частицами сверхвысоких энергий уже в течение миллиардов лет, и, если бы вероятность образования черной дыры с последующим поглощением ею вещества была бы хоть сколь-нибудь отлична от нуля, сейчас не существовало бы ни звезд, ни планетных систем. Судя по всему, если первичные черные дыры и образуются, они живут мгновения, после чего испаряются, что и оставляет стабильным наш мир. А может, человечество просто слишком молодо по космическим меркам и потому так уверено в стабильности этого мира? Поживем — увидим…

Мнения Дмитрий Гальцов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики физического факультета МГУ, вице-президент Российской гравитационной ассоциации, почетный член Института физики Великобритании: — Работа интересная. Один из авторов, Франс Преториус, мне известен как молодой, но очень грамотный физик и специалист по численным методам. Они находят специфические черты сейсмических колебаний, характерные для таких событий. К сожалению, стандартная космология предсказывает, что первичных черных дыр рождается мало, однако также известно, что стандартная космология неверна! Поэтому геофизики вполне могут заниматься и уже занимаются анализом сейсмики с целью обнаружения черных дыр. Александр Трофименко, ведущий научный сотрудник отдела логики и методологии научного познания Института философии Национальной академии наук Белоруссии: — В недрах нашей планеты могут вести свою потайную жизнь миллиарды первичных черных дыр, но обнаружить их совсем непросто. Эти «малыши», имеющие громадные гравитационные массы, способны выделять колоссальную энергию из микроскопических областей. Например, смерчи происходят исключительно из-за активности черных дыр на поверхности Земли. Смерч разрушительной силы внезапно возникает, делает свое черное дело и так же внезапно исчезает. В его небольшом пространстве происходят мощные движения воздуха и проявляются колоссальные силы, которые противостоят силе тяжести планеты. Происходит это потому, что воздушные массы устремляются к силовому центру — черной дыре. Кроме смерчей, черные дыры вызывают землетрясения и извержения вулканов. Они бывают двух типов — излучающие и гравитационные. Излучающие активизируют вулканическую деятельность, а гравитационные, сталкиваясь между собой, выделяют энергию, которая сотрясает земную кору. Столкновение же двух типов черных дыр напоминает синтез атомных ядер с выделением колоссальной энергии. Эдуард Боос, заведующий отделом экспериментальной физики высоких энергий Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ, доктор физико-математических наук: — Известно, что из космоса на Землю постоянно падают космические лучи, причем известно, сколько их падает на единицу площади в единицу времени. Среди этих частиц отбираются те, у которых энергия больше, чем энергия частиц на Большом адронном коллайдере. Сколько таких частиц упало — известно. Для этого умножили площадь Земли на ее возраст. Получается, что за время существования нашей планеты космическими лучами было организовано примерно 10 в 5-й степени физических программ коллайдера. Никаких черных дыр или других опасных факторов при этом не возникло. Если бы возникли, то не было бы того, что мы видим вокруг себя. Вероятность возникновения черной дыры оценивается как 10 в минус 50-й степени. Даже трудно себе представить, насколько это маленькое число. Алексей Любушин, главный научный сотрудник Института физики Земли РАН, доктор физико-математических наук: — При столкновении с первичной черной дырой не будет никаких разрушений, это комариный укус для Земли. Четыре — это очень маленькая магнитуда, никто ее даже не заметит. Естественно, сейсмические приборы ее почувствуют, но это неопасно и не вызовет никакого резонанса.