Parowanie czarnych dziur: fakty i mity o promieniowaniu Hawkinga
Ethan Siegel / Tłumacznie + dodatki RFpNeFeFiFcLIstnieje kilka możliwości powstania czarnych dziur, od zawalenia się jądra supernowej do fuzji gwiazd neutronowych, oraz najbardziej powszechne, kiedy czarne dziury o masie gwiazdowej formują się w wyniku zapadania grawitacyjnego bardzo masywnych gwiazd pod koniec ich życia.
Jeśli przyjmiemy dolną granicę, czarne dziury muszą mieć okło 2,5 - 3 masy Słońca, ale przy górnej granicy supermasywne czarne dziury mogą przekroczyć masę 10 miliardów słonecznych. Zazwyczaj znajdują się one w środku galaktyk. Jak bardzo są stabilne? Która czarna dziura wcześniej wyparuje: duża i żarłoczna czy mała?
To właśnie chce wiedzieć nasz czytelnik Nyccolas Emanuel, który pyta :
Czy istnieje rozmiar krytyczny dla stabilności czarnej dziury?
Przy masie 10^12 kg czarna dziura pozostanie stabilna przez kilka miliardów lat. Jednak [czarna dziura] w zakresie 10^5 kg może eksplodować w sekundę, a więc zdecydowanie nie jest stabilna...
Zastanawiam się, czy istnieje masa krytyczna dla [czarnej dziury], gdzie dopływ uzyskanej materii będzie równy "odparowywaniu" Hawkinga?
Odpowiedz na to pytanie jest trochę rozległa, więc zabieram się do wyjaśnienia.
[Często też czytam na Wykopie, i nie tylko, wyrazy typu: " czarna dziura wyparuje się od razu", "parowanie CD uniemożliw jej pochłonięcie gwiazd dookoła", w LHC powstanie czarna dziura, która wchłonie cały wszechświat" :) itd,itd.
Pragnę tym artykułem wyjaśnić prawdziwą skalę tego zjawiska.]
Stabilność czarnych dziur
Pierwszą rzeczą, od której należy zacząć, jest stabilność samej czarnej dziury. Każdy inny obiekt we wszechświecie, astrofizyczny lub inny, posiada siły, które utrzymują go na tle wszechświata, który próbuje go rozerwać.
Atom wodoru jest słabo trzymającą się razem strukturą; pojedynczy foton ultrafioletowy może go zniszczyć, jonizując jego elektron. Jądro atomowe potrzebuje znacznie bardziej wysokoenergetycznej cząstki, aby go rozsadzić, na przykład promieniowanie kosmiczne, przyspieszony proton lub foton promieniowania gamma.
Lecz w przypadku dużych struktur, takich jak planety, gwiazdy czy nawet galaktyki, siły grawitacyjne utrzymujące je są ogromne. Zazwyczaj rozerwanie takiej megastruktury wymaga albo reakcji termojądrowej, albo niewiarygodnie silnego wpływu grawitacji z zewnątrz - na przykład od przelatującej obok gwiazdy, czarnej dziury lub innego masywnego obiektu.
Ale w przypadku czarnych dziur, to jednak nie jest tak samo, jak z gwiazdami. Masa czarnej dziury, zamiast być rozłożona w całej objętości, jest ściśnięta do centralnej osobliwości. W przypadku nieobracającej się czarnej dziury jest to bezwymiarowy[?] punkt. [ W oryginale "zero-dimensional point"]
Obracająca się czarna dziura nie jest dużo lepsza: centralna osobliwość to nieskończenie cienki, jednowymiarowy pierścień.
Ponadto cała masowo-energetyczna zawartość czarnej dziury jest zamknięta w horyzoncie zdarzeń. Czarne dziury są jedynymi obiektami we Wszechświecie, które zawierają horyzont zdarzeń: granicę, po której, jeśli się wślizgniesz, nie da się uciec. Żadne przyspieszenie, a tym samym żadna siła, bez względu na to, jak silna, nigdy nie będzie w stanie przyciągnąć materii, masy lub energii z wnętrza horyzontu zdarzeń na zewnątrz ku Wszechświatowi poza nim.
Może to oznaczać, że czarne dziury, gdy już utworzą się w dowolny sposób, mogą tylko rosnąć i nigdy nie zostaną zniszczone. W rzeczywistości, one rosną, i to bezlitośnie. Obserwujemy różnego rodzaju zjawiska we Wszechświecie, takie jak:
- kwazary,
- blazary,
- aktywne jądra galaktyczne,
- mikrokwazary,
- gwiazdy orbitujące wokół dużych mas, które nie emitują żadnego rodzaju światła,
- rozbłyski, promieniowanie rentgenowskie i emisje radiowe z centrów galaktycznych,
o których sądzimy, że są napędzane przez czarne dziury. Wnioskując o ich masie, możemy tym samym poznać fizyczne rozmiary ich horyzontów zdarzeń. Wszystko, co się z nim zderza, przecina się z nimi, nieuchronnie wpada do środka. A potem, dzięki zachowaniu energii, musi nieuchronnie zwiększyć masę czarnej dziury.
Jest to proces, który na ogół zachodzi dla każdej znanej dziś czarnej dziury we Wszechświecie. Materiał z innych gwiazd, z kosmicznego pyłu, z materii międzygwiezdnej, obłoków gazowych, a nawet promieniowania i neutrin pozostałych po Wielkim Wybuchu może stanowić wkład w ten proces.
Również ciemna materia, zderzając się z czarną dziurą, zwiększa jej masę.
Wszystko wskazuje na to, że czarne dziury rosną w zależności od gęstości materii i energii wokół nich; potwór w centrum naszej Drogi Mlecznej rośnie w tempie około jednej masy słonecznej co 3000 lat; czarna dziura w centrum galaktyki Sombrero rośnie w tempie jednej masy słonecznej co 20 lat.
Na ogół im większa i cięższa jest czarna dziura, tym szybciej rośnie, w zależności od tego, jaki materiał napotka na swojej drodze. W miarę upływu czasu tempo wzrostu będzie spadać, ale ponieważ Wszechświat ma "zaledwie" około 13,8 miliarda lat, nadal pięknie rosną.
Z drugiej strony, czarne dziury nie tylko rosną w miarę upływu czasu.
Istnieje również proces, w wyniku którego one tracą swoja masę - wyparowują: to proces znany jako Promieniowanie Hawkinga. To był temat zeszłotygodniowego Zapytaj Ethana i wynika z faktu, że przestrzeń wokół horyzontu zdarzeń czarnej dziury jest mocno zakrzywiona, ale w znacznym oddaleniu od niej pozostaje bardziej płaska. Jeśli jesteś obserwatorem znajdującym się w dużej odległości, zobaczysz istotną ilość promieniowania emitowanego z zakrzywionego obszaru w pobliżu horyzontu zdarzeń, ze względu na fakt, że kwantowa próżnia ma odmienne właściwości w różnie zakrzywionych regionach przestrzeni.
[ Z całym szacunkiem do Etana, ale tu w swoim artykule "emitowanego z obszaru w pobliżu horyzontu zdarzeń" jest trochę niedokładny. Promieniowanie Hawkinga powstanie nie na horyzoncie zdarzeń tylko daleko przed nim. Temat ni ejest prosty aby wytłumaczyć w dwóch słowach. Może kiedyś dodam oddzielnie znalezisko, jak będzie zainteresowanie tym zagadnieniem.]
W efekcie końcowym czarne dziury emitują promieniowanie cieplne zgodne z promieniowaniem czarnego ciała (głównie w postaci fotonów) we wszystkich kierunkach, w objętości przestrzeni, która obejmuje około dziesięciu promieni Schwarzschilda na obszarze dookoła czarnej dziury.
I może się to wydawać dziwne, ale im mniejsza czarna dziura, tym szybciej odparowuje.
Promieniowanie Hawkinga to niezwykle powolny proces, w którym odparowanie czarnej dziury o masie naszego Słońca zajęłaby 10^64 lata;
-ta w centrum Drogi Mlecznej wymagałaby 10^87 lat
-najbardziej masywne we Wszechświecie - 10^100 lat.
Ogólnie rzecz biorąc, jest prosty wzór, którego można użyć do obliczenia czasu parowania dla czarnej dziury, trzeba przyjąć skalę czasową dla naszego Słońca i pomnożyć ją przez: (Masa czarnej dziury, podzielona na masę Słońca) do potęgi trzeciej)
Tak więc:
-czarna dziura masy Ziemi przetrwałaby 10^47 lat
-czarna dziura mas Wielkiej Piramidy w Gizie (~6 milionów ton) przetrwałaby przez około 1000 lat;
-czarna dziura masy budynku Empire State building trwałaby około miesiąca.
-czarna dziura masy przeciętnego człowieka trwałaby tuż poniżej 1 pikosekundy.
Z tego, co wiemy, wszechświat może zawierać czarne dziury o niezwykle szerokim zakresie mas. Gdyby w chwili narodzin powstali lekkie — poniżej miliarda ton - wszystkie one odparowałyby do dziś. Nie ma dowodów na to, że istnieją czarne dziury o masie pomiędzy tymi lekkimi, a tymi, które powstają w procesie syntezy gwiazd neutronowych - teoretycznie mają one masę 2,5 M☉.
Ponadto badania rentgenowskie wskazują na istnienie czarnych dziur w zakresie około 10-20 mas słonecznych, LIGO pokazało nam czarne dziury w zakresie od 8 do około 62 M☉, a badania astronomiczne ujawniają supermasywne czarne dziury, które można znaleźć w całym Wszechświecie.
Znamy szeroki wachlarz czarnych dziur, ale jest także duży zakres badań, które wykluczają czarne dziury stanowiące większość ciemnej materii w stosunku do ogromnej różnorodności schematów.
Obecnie wszystkie istniejące czarne dziury zyskują materiał szybciej, niż tracą z powodu promieniowania Hawkinga. Czarna dziura o masie słonecznej traci około 10^-28 dżuli energii co sekundę.
Ale biorąc pod uwagę to że:
- Nawet pojedynczy foton promieniowania reliktowego ma około miliona razy więcej energii,
- jest około 411 takich fotonów (pozostałych po Wielkim Wybuchu) na centymetr sześcienny przestrzeni,
- poruszają się z prędkością światła, co oznacza, że około 10 trylionów fotonów co sekundę zderza się z każdym centymetrem kwadratowym powierzchni, którą zajmuje dowolny obiekt.
to teoretycznie nawet odizolowana czarna dziura gdziueś w głębi przestrzeni międzygalaktycznej będzie musiała poczekać aż Wszechświat będzie miał około 10^20 lat - (ponad miliard razy więcej niż obecnie) - zanim tempo wzrostu czarnej dziury spadnie poniżej tempa promieniowania Hawkinga.
Jednak zagrajmy w grę.
Zakładając, że żyjesz w przestrzeni międzygalaktycznej, z dala od wszelkiej normalnej materii i ciemnej materii, z dala od wszelkich promieni kosmicznych i promieniowania gwiazdowego oraz neutrin, i że tylko fotony pozostałe po Wielkim Wybuchu mogłyby się z Tobą zmagać. Jak duża musiałaby być twoja czarna dziura, aby szybkość promieniowania Hawkinga ( odparowywanie CD) i szybkość pochłaniania fotonów przez Twoją czarną dziurę ( przyrost CD ) wyrównywały się wzajemnie?
Odpowiedź brzmi: około 10^23 kg, czyli w przybliżeniu masa planety Merkury.
Gdyby była to czarna dziura, średnica Merkurego wynosiłaby około pół milimetra i promieniowałaby około 100 trylionów razy szybciej niż czarna dziura o masie słonecznej.
Więc taka jest masa, jaką dziś we Wszechświecie musiałaby przyjąć czarna dziura, aby pochłonąć tyle kosmicznego promieniowania tła mikrofalowego, ile wyemitowałaby w promieniowaniu Hawkinga.
Natomiast jeśli chodzi o realistyczną czarną dziurę, nie można jej odizolować od reszty materii we Wszechświecie. Czarne dziury, nawet wyrzucone z galaktyk, wciąż przelatują przez otoczenie międzygalaktyczne, zderzając się z promieniami kosmicznymi, światłem gwiazd, neutrinami, ciemną materią i wszelkiego rodzaju cząstkami, masowymi i bezmasowymi.
Kosmicznego tła mikrofalowego nie da się uniknąć, gdziekolwiek się udamy. Czarne dziury stale pochłaniają materię i energię oraz rosną w masie i wielkości. Tak, one również emitują energię, ale w przypadku wszystkich czarnych dziur, które rzeczywiście istnieją w naszym wszechświecie, potrzeba będzie co najmniej 100 kwintylionów lat (100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 = 100 x 10³⁰), aby tempo wzrostu spadło poniżej tempa promieniowania i znacznie dłużej, aby w ostatecznie odparowały.
Źródła:
https://www.wykop.pl/link/4660983/anw-najbardziej-niezwykle-czarne-dziury-we-wszechswiecie/
https://pl.wikipedia.org/wiki/Czarna_dziura
https://pl.wikipedia.org/wiki/Promieniowanie_Hawkinga