Istnieje kilka sposobów na stworzenie czarnej dziury, od zapadnięcia się jądra supernowej po połączenie się gwiazd neutronowych z zapadnięciem się ogromnej ilości materii. Jeśli weźmiemy dolną granicę, czarne dziury mogą mieć od 2,5 do 3 mas Słońca, ale przy górnej granicy supermasywne czarne dziury mogą przekroczyć 10 miliardów mas Słońca. Zwykle znajdują się w centrach galaktyk. Jak stabilne są one? Która czarna dziura wyschnie jako pierwsza: duża i żarłoczna czy mała?
Czy istnieje rozmiar krytyczny dla stabilności czarnej dziury? Czarna dziura ważąca 1012 kilogramów może być stabilna przez kilka miliardów lat. Ale czarna dziura o masie 105 może eksplodować w ciągu sekundy i na pewno nie będzie stabilna. Gdzie jest złoty środek, przy którym dopływ materii będzie równy promieniowaniu Hawkinga?
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 trzymają go razem przeciwko Wszechświatowi, który próbuje go rozerwać. Atom wodoru jest silną strukturą; pojedynczy foton ultrafioletowy może go zniszczyć poprzez jonizację elektronu. Aby zniszczyć jądro atomowe, potrzebujesz cząstki o wyższej energii, takiej jak promień kosmiczny, przyspieszony proton lub foton promieniowania gamma.
Ale w przypadku dużych struktur, takich jak planety, gwiazdy, a nawet galaktyki, utrzymujące je siły grawitacyjne są ogromne. Z reguły do rozerwania takiej megastruktury potrzebna jest reakcja termojądrowa lub niewiarygodnie silny efekt grawitacji z zewnątrz - na przykład z przelatującej gwiazdy, czarnej dziury lub galaktyki.
Jednak w przypadku czarnych dziur tak nie jest. Masa czarnej dziury, zamiast rozłożyć się na jej objętość, kurczy się w osobliwość. W przypadku nierotującej czarnej dziury jest to jeden punkt o wymiarze zerowym. Wirująca czarna dziura nie jest dużo lepsza: nieskończenie cienki, jednowymiarowy pierścień.
Film promocyjny:
Ponadto cała masa energii czarnej dziury znajduje się w horyzoncie zdarzeń. Czarne dziury to jedyne obiekty we Wszechświecie, które mają horyzont zdarzeń: granicę, poza którą nie można wrócić. Żadne przyspieszenie, a zatem żadna siła, nie będzie w stanie wyciągnąć materii, masy ani energii z horyzontu zdarzeń poza jego granice.
Może to oznaczać, że czarne dziury, utworzone w jakikolwiek możliwy sposób, mogą tylko rosnąć i nigdy nie zostaną zniszczone. I rosną nieustannie i nieustannie. We Wszechświecie obserwujemy wszelkiego rodzaju zjawiska, takie jak:
- kwazary;
- blazary;
- aktywne jądra galaktyczne;
- mikrokwazary;
- gwiazdy, które nie emitują światła;
- Rozbłyski rentgenowskie i radiowe z centrów galaktyki;
które prowadzą nas do czarnych dziur. Wyznaczając ich masy, staramy się poznać fizyczne wymiary ich horyzontów zdarzeń. Wszystko, co się z nią zderzy, przekroczy, a nawet dotknie, nieuchronnie spadnie do wewnątrz. A potem, dzięki zachowaniu energii, masa czarnej dziury również wzrośnie.
Ten proces zachodzi w przypadku każdej znanej nam czarnej dziury. Wysyłany jest tam materiał z innych gwiazd, kosmiczny pył, materia międzygwiazdowa, obłoki gazu, a nawet promieniowanie i neutrina pozostałe po Wielkim Wybuchu. Każda materia zderzająca się z czarną dziurą zwiększa jej masę. Rozwój czarnych dziur zależy od gęstości materii i energii otaczającej czarną dziurę; potwór w centrum naszej Drogi Mlecznej rośnie w tempie 1 masy słonecznej co 3000 lat; czarna dziura w centrum galaktyki Sombrero rośnie w tempie 1 masy Słońca na 20 lat.
Im średnio większa i cięższa czarna dziura, tym szybciej rośnie, w zależności od napotkanego materiału. Jego tempo wzrostu z czasem zwalnia, ale ponieważ Wszechświat ma tylko około 13,8 miliarda lat, czarne dziury rosną pięknie.
Z drugiej strony czarne dziury nie rosną tylko z upływem czasu; zachodzi również proces ich parowania: promieniowanie Hawkinga. Wynika to z faktu, że przestrzeń w pobliżu horyzontu zdarzeń jest silnie zakrzywiona, ale prostuje się wraz z odległością. Jeśli jesteś w dużej odległości, możesz zobaczyć niewielką ilość promieniowania emitowanego z zakrzywionego obszaru w pobliżu horyzontu zdarzeń, ze względu na fakt, że próżnia kwantowa ma różne właściwości w różnych zakrzywionych obszarach przestrzeni.
Końcowy wynik jest taki, że czarne dziury emitują promieniowanie cieplne z ciała czarnego (głównie w postaci fotonów) we wszystkich kierunkach wokół nich, w objętości przestrzeni, która zasadniczo obejmuje około dziesięciu promieni Schwarzschilda w miejscu czarnej dziury. I może się to wydawać dziwne, ale im mniejsza czarna dziura, tym szybciej wyparowuje.
Promieniowanie Hawkinga to niezwykle powolny proces, w którym czarna dziura wraz z masą naszego Słońca wyparuje po 10 (do potęgi 64) lat; dziura w centrum naszej Drogi Mlecznej - za 10 (do potęgi 87) lat, a najbardziej masywna we Wszechświecie - za 10 (do potęgi 100) lat. Aby obliczyć czas parowania czarnej dziury za pomocą prostego wzoru, musisz wziąć ramy czasowe naszego Słońca i pomnożyć przez (masa czarnej dziury / masa Słońca).
z którego wynika, że czarna dziura o masie Ziemi będzie żyła 10 (do potęgi 47) lat; czarna dziura o masie Wielkiej Piramidy w Gizie (6 mln ton) - około tysiąca lat; z masą Empire State Building - około miesiąca; z masą zwykłej osoby - pikosekundą. Im mniejsza masa, tym szybciej czarna dziura wyparowuje.
O ile nam wiadomo, wszechświat może zawierać czarne dziury o niewyobrażalnie różnych rozmiarach. Gdyby był wypełniony jasnymi czarnymi dziurami - do miliarda ton - wszystkie do dziś wyparowałyby. Nie ma dowodów na to, że istnieją czarne dziury z masą między tymi płucami a tymi, które powstają w procesie łączenia się gwiazd neutronowych - teoretycznie mają masę 2,5 energii słonecznej. Powyżej tych granic badania rentgenowskie wskazują na istnienie czarnych dziur w zakresie mas słonecznych 10–20; LIGO pokazało czarną dziurę o masie od 8 do 62 mas Słońca; znajdź też supermasywne czarne dziury w całym wszechświecie.
Obecnie wszystkie istniejące czarne dziury zdobywają materię szybciej niż tracą z powodu promieniowania Hawkinga. Czarna dziura z masą Słońca traci około 10 (do -28) energii co sekundę. Ale jeśli weźmiesz pod uwagę:
- nawet jeden foton KMPT ma milion razy więcej energii;
- 411 z tych fotonów na centymetr sześcienny przestrzeni pozostało po Wielkim Wybuchu;
- poruszają się z prędkością światła, zderzając się 10 bilionów razy na sekundę w każdym centymetrze sześciennym;
Nawet izolowana czarna dziura głęboko w przestrzeni międzygalaktycznej będzie czekać, aż Wszechświat dojrzeje do 10 (do potęgi 20) lat - miliard razy więcej niż jego obecny wiek - zanim tempo wzrostu czarnej dziury spadnie poniżej tempa promieniowania Hawkinga.
Ale zagrajmy w grę. Załóżmy, że żyjesz w przestrzeni międzygalaktycznej, z dala od zwykłej materii i ciemnej materii, z dala od wszelkich promieni kosmicznych, promieniowania gwiazdowego i neutrin, a do rozmowy masz tylko fotony z Wielkiego Wybuchu. Jak duża musi być twoja czarna dziura, aby szybkość parowania (promieniowanie Hawkinga) i absorpcja fotonów przez twoją czarną dziurę (wzrost) były równoważne?
Odpowiedź uzyskuje się w zakresie 10 (do potęgi 23) kg, czyli w przybliżeniu przy masie planety Merkury. Gdyby Merkury był czarną dziurą, miałby pół milimetra średnicy i promieniowałby około 100 bilionów razy szybciej niż czarna dziura o masie słonecznej. To właśnie z tą masą w naszym wszechświecie czarna dziura pochłonęłaby tyle samo promieniowania mikrofalowego, ile utraciła w procesie promieniowania Hawkinga.
Ale jeśli chcesz realistycznej czarnej dziury, nie możesz jej odizolować od pozostałej materii we wszechświecie. Czarne dziury, nawet wyrzucone z galaktyk, wciąż przelatują przez ośrodek międzygalaktyczny, zderzając się z promieniami kosmicznymi, światłem gwiazd, neutrinami, ciemną materią i wszelkiego rodzaju cząsteczkami, masywnymi i bezmasowymi. Kosmiczne mikrofalowe tło jest nieuniknione, gdziekolwiek jesteś. Czarne dziury stale pochłaniają materię i energię, a ich masa i rozmiary rosną. Tak, one również emitują energię, ale aby wszystkie czarne dziury w naszym Wszechświecie zaczęły się wyczerpywać szybciej niż rosną, zajmie to około 100 trylionów lat.
A ostateczne odparowanie zajmie jeszcze więcej.
Ilya Khel
