Могут ли развитые цивилизации превратить черные дыры в оружие?

Черные дыры — это предельный источник чистой энергии. Они могут преобразовывать значительную часть массы любого попавшего в них мусора в чистую энергию с эффективностью, на порядки превосходящей ядерные реакторы.

Зная, что мы творим с ядерной энергией, можно предположить, что внеземные технологические цивилизации захотели бы использовать черные дыры как для мирного производства энергии, так и для военных целей.

К счастью для сторонников межзвездного мира, существует серьезное практическое препятствие для технологического создания черных дыр.

В 1972 году Кип Торн сформулировал Гипотезу обруча, которая гласит, что схлопывающийся объект массой M образует черную дыру тогда и только тогда, когда круговой обруч с радиусом Шварцшильда (2GM/c^2) окружает объект во всех направлениях, подразумевая, что масса заключена в сфере Шварцшильда.

Физик Карл Шварцшильд первым вывел решение для черной дыры из уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна в 1916 году, определив горизонт событий этим радиусом. Сфера Шварцшильда представляет собой абсолютную границу, из-за которой не может вырваться даже свет, делая ее внутреннюю часть невидимой для внешнего наблюдателя. Кстати, для Солнца радиус Шварцшильда составляет 3 километра.

Гипотеза обруча подразумевает, что для создания черной дыры материя или излучение должны быть сжаты до минимальной плотности массы, равной массе черной дыры, деленной на объем ее сферы Шварцшильда. Эта плотность в десять раз выше плотности атомного ядра для черной дыры с массой Солнца. Сегодня с помощью наших самых современных технологий невозможно сжать большие количества материи или излучения до такой плотности.

Однако порог плотности для создания черной дыры уменьшается обратно пропорционально квадрату массы и ниже ядерной плотности для черной дыры, которая в несколько раз массивнее. Природа достигает таких плотностей при коллапсе ядер массивных звезд. Это подтверждено обнаружением 90 событий слияния черных дыр с массой более нескольких солнечных обсерваторией гравитационных волн LIGO-Virgo-KAGRA. Канал образования также отмечен гамма-всплесками, которые испускаются струями, образующимися во время коллапса массивных звезд в черные дыры на космологических расстояниях.

В этом и заключается причина гарантий межзвездного мира: черные дыры не используются в качестве оружия, потому что для того, чтобы сделать их ниже ядерной плотности обычными средствами, требуется огромное количество массы, превышающее в несколько раз массу Солнца. Это непреодолимая инженерная задача. Невозможно обработать такую большую массу технологическими средствами.

Ускорители частиц достигают плотности энергии, превышающей плотность атомного ядра, но только для очень и очень малого количества массы. В результате они далеки от удовлетворения Гипотезы обруча.

Но давайте рассмотрим более практичный рецепт, подобный тем, что можно найти в кулинарных книгах. Предположим, мы хотим создать черную дыру, наливая воду в достаточно большую область. Насколько большой должна быть эта область, чтобы образовалась черная дыра? Обруч Шварцшильда в нашем случае будет примерно равен орбите Марса вокруг Солнца, а полученная черная дыра будет иметь массу в сто миллионов Солнц. К сожалению, для этого рецепта нам требуется больше воды, чем во всей галактике Млечный Путь.

Интересно, что сверхмассивные черные дыры такой массы действительно формировались в ранней Вселенной. В статье 2023 года сообщалось о рентгеновском излучении от черной дыры такой массы с красным смещением 10,3, всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Открытие предположило, что зародыши черных дыр были массивными уже на ранних этапах существования Вселенной.

В 1994 году я опубликовал статью с Фредом Расио, в которой мы предполагали раннее формирование массивных черных дыр в результате коллапса сверхмассивных звезд, которые, вероятно, образовывались из первозданного газа водорода и гелия, возникшего после горячей плотной фазы после Большого взрыва. В 2003 году я подтвердил это предположение в статье с Фолькером Броммом, где мы продемонстрировали, что первичные газовые облака массой в миллионы солнечных масс могли непосредственно коллапсировать, образуя зародыши черных дыр, если в них было подавлено охлаждение молекулярным водородом. Эта идея стала популярной в последующие десятилетия и была названа каналом для прямого коллапса черных дыр.

Возвращаясь еще дальше во времени, в самой ранней Вселенной могли образоваться первичные черные дыры, если некоторые области в масштабе раннего космического горизонта имели достаточно высокие концентрации массы для удовлетворения Гипотезы обруча, например, в результате фазовых переходов. Первичные черные дыры в диапазоне масс от астероидов до Луны могли бы тогда объяснить темную материю. Но мы до сих пор не нашли никаких доказательств их существования.

Насколько нам известно, природа создает черные дыры с массами от нескольких до десятков миллиардов солнечных масс. Эти мощные маяки сияют на протяжении всей космической истории. Так что, мы должны быть благодарны Гипотезе обруча за то, что она предотвращает использование черных дыр в качестве оружия развитыми цивилизациями.

Ави Леб, руководитель проекта «Галилео», директор-основатель инициативы «Черная дыра» Гарвардского университета, директор Института теории и вычислений Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики.