Подробности про микроскопические черные дыры

Гипотетическая опасность, связанная с микроскопическими черными дырами, состоит в том, что если они смогут родиться в столкновении протонов на LHC и если они по каким-то причинам окажутся стабильными, то, провалившись в центр Земли, они начнут поглощать вещество и за короткое время разрушат Землю. Однако как теоретические, так и экспериментальные аргументы убедительно показывают, что такой сценарий невозможен.

Теоретические возможности

Еще десять лет назад возможность создания микроскопических черных дыр на ускорителе всерьез не рассматривалась. Дело в том, что в рамках «обычной» (то есть экспериментально проверенной) теории гравитации вероятность родить черную дыру исчезающе мала. Связано это с тем, что черная дыра — это гравитационный объект, а гравитация остается чрезвычайно слабой при энергиях, достижимых на ускорителях.

Несколько лет назад появился новый класс теорий, в которых гравитация становится сильной при энергиях столкновений порядка тераэлектронвольт (ТэВ, 10¹² эВ), то есть в области энергий LHC. В таких теориях рождение черных дыр (а также других гравитационных объектов) на LHC становится возможным и происходит довольно часто.

Важно, однако, понимать, что все такие процессы остаются пока в высшей степени гипотетическими. В основе соответствующих теорий лежат интересные, но сугубо теоретические допущения — например, существование «больших» дополнительных пространственных измерений (см. популярную заметку Трехмерен ли наш мир?). Ни сами эти допущения, ни разнообразные последствия этих теорий пока не получили экспериментального подтверждения. Отражают ли эти теории реальность или являются лишь забавной математической конструкцией — пока неизвестно. Возможно, LHC прояснит этот вопрос, но на сегодняшний день большинство физиков настроены довольно скептично по отношению к этим теориям (хотя экспериментаторы на всякий случай проверяют те или иные их последствия в своих данных).

Если всё же одна из этих экзотических теорий действительно относится к реальности, то, согласно ей, черные дыры будут рождаться на LHC. И согласно ей же, они будут тут же, прямо внутри вакуумной трубы, распадаться на обычные частицы. Детектор «увидит» лишь процесс pp → черная мини-дыра → частицы, и такая черная дыра просто не успеет ничего начать поглощать.

В принципе, возможен совсем уж экзотический вариант теории со стабильными черными дырами. Так может получиться, если в природе имеется некое новое взаимодействие с сохраняющимся зарядом, причем все известные частицы к этому взаимодействию нечувствительны, а черные дыры рождаются с этим новым зарядом. В силу закона сохранения нового заряда, черная дыра не сможет распасться полностью, но она не сможет и расти. Как только она поглотит частицу обычной материи, она тут же излучит полученную массу обратно, ведь обычное вещество новым зарядом не обладает. В результате активность такой черной дыры всегда будет оставаться очень низкой.

Оценки из астрофизических данных

Вне зависимости от теоретических рассуждений, в отсутствии опасности можно убедиться и с помощью накопленных на сегодня астрофизических данных.

Предположим, что, благодаря какому-то экзотическому механизму, микроскопические черные дыры всё же могут рождаться на LHC и оставаться стабильными. Тогда, проходя через обычное вещество, они будут его поглощать и из-за этого расти в размерах. Если такая черная дыра попадет внутрь Земли, то она быстро осядет в ее центре, начнет расти и в конце концов полностью разрушит Землю.

Однако если черные дыры могут рождаться на LHC, то они могут возникать и при бомбардировке Земли космическими лучами сверхвысоких энергий. Энергетический спектр космических лучей измерен хорошо; известно, что в них довольно часто встречаются и протоны с энергией выше 10¹⁷ эВ, что при столкновении с неподвижным протоном эквивалентно энергии LHC. Светимость таких столкновений с Землей за всё время ее жизни на несколько порядков превышает светимость LHC, поэтому рождение такой черной дыры в космических лучах даже более вероятно, чем на LHC. Поскольку Земля (да и другие небесные тела) дожили до наших дней и никакой катастрофы не случилось, значит, она не случится и в результате экспериментов на LHC.

В принципе, можно выдвинуть возражение к этой аргументации. Черные дыры, родившиеся в столкновении космических лучей с неподвижной частицей, будут лететь вперед с околосветовой скоростью. Даже пронзив Землю насквозь, они не успеют затормозиться и улетят в космическое пространство, не причинив Земле никакого заметного вреда. На LHC, в отличие от космических лучей, сталкиваются встречных пучки, и поэтому в принципе возможна (хотя очень маловероятна) ситуация, при которой рождается очень медленная черная дыра, со скоростью меньше первой космической скорости на Земле. Именно такая черная дыра сможет упасть внутри Земли и начнет ее поглощать.

Это возражение устраняется таким аргументом. Существуют компактные объекты, в которых плотность вещества на несколько порядков превосходит среднюю плотность Земли. Это белые карлики (плотность порядка 10⁶ г/см³) и нейтронные звезды (плотность порядка 10¹⁴ г/см³). Черные дыры, возникающие при бомбардировке космическими лучами поверхности этих компактных объектов, быстро в них застревают и начинают их разрушать. Скорость разрушения может быть как большой, так и маленькой, в зависимости от конкретной теории гравитации. В первом случае это приводит к очень быстрому исчезновению звезды, что противоречит астрономическим наблюдениям (известны нейтронные звезды и белые карлики с возрастом в сотни миллионов лет). Во втором случае это не приведет ни к каким существенным изменениям, а это значит, что воздействие такой черной дыры на Землю будет на много порядков слабее и останется незаметным в течение миллиардов лет.

Вывод: даже если микроскопические черные дыры действительно могут родиться на LHC и упасть в центр Земли и даже если они при этом действительно начнут расти (что само по себе чрезвычайно маловероятно), то никакого ощутимого эффекта на свойства Земли за время жизни Солнца они не окажут.