Det er flere måter å lage et svart hull fra kollapsen til en supernovakjerne til sammenslåing av nøytronstjerner med kollaps av en enorm mengde materie. Hvis vi tar den nedre grensen, kan sorte hull ha 2,5 - 3 solmasser, men ved den øvre grensen kan supermassive sorte hull overstige 10 milliarder solmasser. De finnes vanligvis i sentrum av galakser. Hvor stabile er de? Hvilket svart hull tørker først opp: stort og glupsk eller lite?
Er det en kritisk størrelse for stabiliteten til et svart hull? Et svart hull som veier 1012 kilo kan være stabilt i flere milliarder år. Men et svart hull i 105-serien kan eksplodere i løpet av et sekund og vil definitivt ikke være stabilt. Hvor er den gyldne middelvei, der tilstrømningen av materie vil være lik Hawking-stråling?
Stabilitet i sorte hull
Det første du kan begynne med er stabiliteten til selve det sorte hullet. Ethvert annet objekt i universet, astrofysisk eller på annen måte, har krefter som holder det sammen mot universet som prøver å rive det fra hverandre. Hydrogenatomet er en sterk struktur; en enkelt ultrafiolett foton kan ødelegge den ved ionisering av et elektron. For å ødelegge en atomkjerne trenger du en høyere energipartikkel som en kosmisk stråle, et akselerert proton eller en gammastrålefoton.
Men for store strukturer som planeter, stjerner eller galakser, er gravitasjonskreftene som holder dem enorme. For å bryte en slik megastruktur er det som regel behov for en termonukleær reaksjon eller en utrolig sterk innflytelse fra tyngdekraften fra utsiden - for eksempel fra en forbipasserende stjerne, svart hull eller galakse.
Når det gjelder sorte hull, er dette imidlertid ikke tilfelle. Massen til det svarte hullet, i stedet for å bli fordelt over volumet, trekker seg sammen til en egenart. For et ikke-roterende svart hull er dette ett punkt med dimensjon null. Et spinnende svart hull er ikke mye bedre: en uendelig tynn, endimensjonal ring.
Kampanjevideo:
I tillegg er alt masseenergiinnholdet i et svart hull innenfor begivenhetshorisonten. Svarte hull er de eneste objektene i universet som har en begivenhetshorisont: en grense som det er umulig å komme tilbake fra. Ingen akselerasjon, og derfor ingen kraft, vil være i stand til å trekke materie, masse eller energi fra begivenhetshorisonten utenfor dens grenser.
Dette kan bety at sorte hull, dannet på en hvilken som helst måte, bare kan vokse og aldri vil bli ødelagt. Og de vokser, ubarmhjertig og uten stopp. Vi observerer alle slags fenomener i universet, for eksempel:
- kvasarer;
- blazars;
- aktive galaktiske kjerner;
- mikrokvasarer;
- stjerner som ikke avgir noe lys;
- X-ray og radio bursts fra galaktiske sentre;
som fører oss til sorte hull. Ved å bestemme massene deres prøver vi å finne ut den fysiske størrelsen på deres begivenhetshorisonter. Alt som kolliderer med det, krysser det eller til og med berører det, vil uunngåelig falle innover. Og takket være energibesparelsen vil massen av det svarte hullet også øke.
Denne prosessen skjer med hvert svart hull som er kjent for oss. Materiale fra andre stjerner, kosmisk støv, interstellar materie, gassskyer, til og med stråling og nøytrinoer som er til overs fra Big Bang blir alle sendt dit. Enhver sak som kolliderer med et svart hull øker massen. Veksten av sorte hull avhenger av tettheten av materie og energi rundt det sorte hullet; monsteret i sentrum av vår Melkevei vokser med en hastighet på 1 solmasse hvert 3000 år; det svarte hullet i sentrum av Sombrero-galaksen vokser med en hastighet på 1 solmasse på 20 år.
Jo større og tyngre det svarte hullet ditt er, i gjennomsnitt jo raskere vokser det, avhengig av materialet det møter. Veksthastigheten avtar over tid, men siden universet bare er ca 13,8 milliarder år gammelt, vokser sorte hull vakkert.
På den annen side vokser ikke sorte hull bare over tid; det er også en fordampingsprosess: Hawking-stråling. Dette skyldes at rommet er sterkt buet nær begivenhetshorisonten, men retter seg ut med avstand. Hvis du er i stor avstand, kan du se en liten mengde stråling som sendes ut fra den buede regionen nær begivenhetshorisonten, på grunn av at kvantevakuumet har forskjellige egenskaper i forskjellige buede områder av rommet.
Sluttresultatet er at sorte hull avgir termisk stråling fra en svart kropp (for det meste i form av fotoner) i alle retninger rundt dem, i et volum av rom som i utgangspunktet omslutter omtrent ti Schwarzschild-radier på stedet for det svarte hullet. Og det kan virke rart, men jo mindre det svarte hullet, jo raskere fordamper det.
Hawking-stråling er en utrolig langsom prosess der et svart hull med massen av solen vår vil fordampe etter 10 år (til kraften 64) år; hullet i sentrum av vår Melkevei - om 10 (til kraften 87) år, og det mest massive i universet - om 10 (til kraften av 100) år. For å beregne fordampningstiden til et svart hull med en enkel formel, må du ta tidsrammen til solen vår og multiplisere med (massen av det svarte hullet / massen av solen).
hvorfra det følger at et svart hull med jordens masse vil leve i 10 (til kraften 47) år; et svart hull med massen av den store pyramiden i Giza (6 millioner tonn) - omtrent tusen år; med massen av Empire State Building - omtrent en måned; med massen til en vanlig person - en pikosekund. Jo mindre masse, desto raskere fordamper det svarte hullet.
Så vidt vi vet, kunne universet inneholde sorte hull av ufattelig forskjellige størrelser. Hvis den var fylt med lyse sorte hull - opptil en milliard tonn - ville de alle ha fordampet innen i dag. Det er ingen bevis for at det er sorte hull med en masse mellom disse lungene og de som er født i ferd med å slå sammen nøytronstjerner - i teorien har en masse på 2,5 sol. Over disse grensene indikerer røntgenstudier eksistensen av sorte hull i 10-20 solmasseområdet; LIGO viste et svart hull mellom 8 og 62 solmasser; finn også supermassive sorte hull over hele universet.
I dag får alle eksisterende sorte hull saken raskere enn de taper på grunn av Hawking-stråling. Et svart hull med solmasse mister omtrent 10 (til -28 kraften) J energi hvert sekund. Men hvis du vurderer det:
- selv en CMB-foton har en million ganger mer energi;
- 411 av disse fotonene per kubikkcentimeter plass ble igjen etter Big Bang;
- de beveger seg med lysets hastighet og kolliderer 10 billioner ganger per sekund i hver kubikkcentimeter;
til og med et isolert svart hull dypt i det intergalaktiske rommet vil vente til universet har modnet til 10 (til kraften 20) år - en milliard ganger sin nåværende alder - før det svarte hullets vekstrate faller under hastigheten for Hawking-stråling.
Men la oss spille et spill. Anta at du bor i intergalaktisk rom, langt fra vanlig materie og mørk materie, langt fra alle kosmiske stråler, stjernestråling og nøytrinoer, og at du bare har fotoner fra Big Bang å chatte med. Hvor stort trenger det sorte hullet å være for at fordampningshastigheten (Hawking-stråling) og absorpsjonen av fotoner fra det sorte hullet (vekst) skal balansere hverandre?
Svaret er oppnådd i regionen 10 (til kraften 23) kg, det vil si omtrent med massen til planeten Merkur. Hvis kvikksølv var et svart hull, ville det være en halv millimeter i diameter og utstråle omtrent 100 billioner ganger raskere enn et svart hull i solmasse. Det er med denne massen i vårt univers at et svart hull ville absorbere like mye mikrobølgestråling som det tapte i løpet av Hawking-stråling.
Men hvis du vil ha et realistisk svart hull, kan du ikke isolere det fra gjenværende materie i universet. Selv når de kastes ut av galakser, flyr svarte hull fremdeles gjennom det intergalaktiske mediet og kolliderer med kosmiske stråler, stjernelys, nøytrinoer, mørk materie og alle slags partikler, massive og masseløse. Den kosmiske mikrobølgebakgrunnen er uunngåelig uansett hvor du går. Sorte hull bruker stadig materie og energi og vokser i masse og størrelse. Ja, de avgir også energi, men for alle sorte hull i universet vårt å begynne å tømmes raskere enn de vokser, vil det ta omtrent 100 milliarder år.
Og den endelige fordampningen vil ta enda mer.
Ilya Khel
