Există mai multe moduri de a crea o gaură neagră, de la prăbușirea unui miez de supernovă la fuziunea stelelor de neutroni cu prăbușirea unei cantități uriașe de materie. Dacă luăm limita inferioară, găurile negre pot avea 2,5 - 3 mase solare, dar la limita superioară găurile negre supermasive pot depăși 10 miliarde de mase solare. Se găsesc de obicei în centrele galaxiilor. Cât de stabile sunt acestea? Care gaură neagră se va usca mai întâi: mare și vorace sau mică?
Există o dimensiune critică pentru stabilitatea unei găuri negre? O gaură neagră care cântărește 1012 kilograme poate fi stabilă timp de câteva miliarde de ani. Dar o gaură neagră din gama de 105 mase poate exploda într-o secundă și cu siguranță nu va fi stabilă. Unde este media aurie, la care fluxul de materie va fi egal cu radiația Hawking?
Stabilitatea găurilor negre
Primul lucru pentru a începe este stabilitatea găurii negre în sine. Orice alt obiect din Univers, astrofizic sau altfel, are forțe care îl țin împreună împotriva Universului care încearcă să-l sfâșie. Atomul de hidrogen este o structură puternică; un singur foton ultraviolet îl poate distruge ionizând un electron. Pentru a distruge un nucleu atomic, aveți nevoie de o particulă cu energie mai mare, cum ar fi o rază cosmică, un proton accelerat sau un foton cu raze gamma.
Dar pentru structuri mari precum planete, stele sau chiar galaxii, forțele gravitaționale care le țin sunt enorme. De regulă, pentru a rupe o astfel de megastructură, este nevoie de o reacție termonucleară sau de o influență incredibil de puternică a gravitației din exterior - de exemplu, dintr-o stea trecătoare, o gaură neagră sau o galaxie.
Cu toate acestea, în cazul găurilor negre, acest lucru nu este cazul. Masa găurii negre, în loc să fie distribuită peste volum, se contractă într-o singularitate. Pentru o gaură neagră care nu se rotește, acesta este un punct cu dimensiunea zero. O gaură neagră care se rotește nu este mult mai bună: un inel infinit subțire, unidimensional.
Video promotional:
În plus, tot conținutul de masă-energie al unei găuri negre se află în orizontul evenimentelor. Găurile negre sunt singurele obiecte din Univers care au un orizont de evenimente: o graniță dincolo de care este imposibil să se întoarcă. Nicio accelerație și, prin urmare, nici o forță nu vor putea trage materie, masă sau energie din orizontul evenimentelor dincolo de limitele sale.
Acest lucru ar putea însemna că găurile negre, formate în orice mod posibil, pot crește și nu vor fi niciodată distruse. Și cresc, neîncetat și fără oprire. Observăm tot felul de fenomene în Univers, precum:
- quasare;
- blazare;
- nuclei galactici activi;
- microquasari;
- stele care nu emit lumină;
- Raze X și explozii radio din centrele galactice;
care ne conduc spre găuri negre. Prin determinarea maselor lor, încercăm să aflăm dimensiunea fizică a orizonturilor lor de evenimente. Orice lucru care se ciocnește cu el, îl traversează sau chiar îl atinge va cădea inevitabil în interior. Și apoi, datorită conservării energiei, și masa găurii negre va crește.
Acest proces are loc cu fiecare gaură neagră cunoscută de noi. Materialul din alte stele, praful cosmic, materia interstelară, norii de gaze, chiar și radiațiile și neutrinii rămași din Big Bang sunt trimise acolo. Orice materie care se ciocnește cu o gaură neagră îi mărește masa. Creșterea găurilor negre depinde de densitatea materiei și a energiei din jurul găurii negre; monstrul din centrul Căii Lactee crește cu o rată de 1 masă solară la fiecare 3000 de ani; gaura neagră din centrul galaxiei Sombrero crește cu o rată de 1 masă solară în 20 de ani.
Cu cât gaura neagră este mai mare și mai grea, în medie, cu atât crește mai repede, în funcție de materialul pe care îl întâlnește. Rata sa de creștere încetinește în timp, dar din moment ce universul are o vechime de doar 13,8 miliarde de ani, găurile negre cresc frumos.
Pe de altă parte, găurile negre nu cresc doar în timp; există și un proces de evaporare a acestora: radiația Hawking. Acest lucru se datorează faptului că spațiul este puternic curbat în apropierea orizontului evenimentelor, dar se îndreaptă cu distanța. Dacă vă aflați la o distanță mare, puteți vedea o cantitate mică de radiații emise din regiunea curbată din apropierea orizontului evenimentelor, datorită faptului că vidul cuantic are proprietăți diferite în diferite regiuni curbate ale spațiului.
Rezultatul final este că găurile negre emit radiații termice din corpul negru (mai ales sub formă de fotoni) în toate direcțiile din jurul lor, într-un volum de spațiu care închide practic aproximativ zece raze Schwarzschild la locul găurii negre. Și poate părea ciudat, dar cu cât gaura neagră este mai mică, cu atât se evaporă mai repede.
Radiația Hawking este un proces incredibil de lent în care o gaură neagră cu masa Soarelui nostru se va evapora după 10 (la puterea de 64) ani; gaura din centrul Căii Lactee - în 10 (până la puterea a 87) ani și cea mai masivă din Univers - în 10 (la puterea a 100) ani. Pentru a calcula timpul de evaporare al unei găuri negre cu o formulă simplă, trebuie să luați intervalul de timp al Soarelui nostru și să îl înmulțiți cu (masa găurii negre / masa Soarelui).
din care rezultă că o gaură neagră cu masa Pământului va trăi timp de 10 (până la puterea de 47) ani; o gaură neagră cu masa Marii Piramide de la Giza (6 milioane de tone) - aproximativ o mie de ani; cu masa Empire State Building - aproximativ o lună; cu masa unei persoane obișnuite - o picosecundă. Cu cât este mai puțină masă, cu atât mai rapidă se evaporă gaura neagră.
Din câte știm, universul ar putea conține găuri negre de dimensiuni inimaginabil diferite. Dacă ar fi umplut cu găuri negre ușoare - până la un miliard de tone - toate s-ar fi evaporat până astăzi Nu există dovezi că există găuri negre cu o masă între acești plămâni și cele care se nasc în procesul de fuzionare a stelelor de neutroni - în teorie au o masă de 2,5 solare. Peste aceste limite, studiile cu raze X indică existența găurilor negre în intervalul de masă solară 10-20; LIGO a arătat o gaură neagră între 8 și 62 de mase solare; găsiți, de asemenea, găuri negre supermasive în tot universul.
Astăzi, toate găurile negre existente câștigă materie mai repede decât pierd din cauza radiației Hawking. O gaură neagră cu masă solară pierde aproximativ 10 (la puterea -28) J de energie în fiecare secundă. Dar dacă luați în considerare acest lucru:
- chiar și un foton CMB are de un milion de ori mai multă energie;
- 411 dintre acești fotoni pe centimetru cub de spațiu au rămas după Big Bang;
- se deplasează cu viteza luminii, ciocnindu-se de 10 trilioane de ori pe secundă în fiecare centimetru cub;
chiar și o gaură neagră izolată adânc în spațiul intergalactic va aștepta până când universul se va maturiza la 10 (până la puterea de 20) ani - de un miliard de ori vârsta sa actuală - înainte ca rata de creștere a găurii negre să scadă sub rata de radiație a lui Hawking.
Dar să jucăm un joc. Să presupunem că locuiți în spațiul intergalactic, departe de materia obișnuită și materia întunecată, departe de toate razele cosmice, radiațiile stelare și neutrinii și că aveți doar fotoni din Big Bang cu care să discutați. Cât de mare trebuie să fie gaura neagră pentru ca rata de evaporare (radiația Hawking) și absorbția fotonilor de gaura neagră (creștere) să se echilibreze reciproc?
Răspunsul este obținut în regiunea de 10 (până la puterea de 23) kg, adică aproximativ cu masa planetei Mercur. Dacă Mercur ar fi o gaură neagră, ar avea o jumătate de milimetru în diametru și ar radia de aproximativ 100 trilioane de ori mai repede decât o gaură neagră cu masă solară. Cu această masă din universul nostru, o gaură neagră ar absorbi la fel de multă radiație cu microunde pe cât ar pierde-o în procesul de radiație Hawking.
Dar dacă doriți o gaură neagră realistă, nu o puteți izola de materia rămasă din univers. Găurile negre, chiar și atunci când sunt evacuate din galaxii, zboară încă prin mediul intergalactic, ciocnindu-se cu razele cosmice, lumina stelelor, neutrinii, materia întunecată și tot felul de particule, masive și fără masă. Fundalul cosmic cu microunde este inevitabil oriunde te duci. Găurile negre consumă în mod constant materie și energie și cresc în masă și dimensiune. Da, ele emit și energie, dar pentru ca toate găurile negre din universul nostru să înceapă să se epuizeze mai repede decât cresc, vor dura aproximativ 100 de quintilioane de ani.
Și evaporarea finală va dura și mai mult.
Ilya Khel
