Det finns flera sätt att skapa ett svart hål, från kollapsen av en supernovakärna till sammanslagningen av neutronstjärnor med kollapsen av en enorm mängd materia. Om vi tar den nedre gränsen kan svarta hål ha 2,5 till 3 solmassor, men vid den övre gränsen kan supermassiva svarta hål överstiga 10 miljarder solmassor. De finns vanligtvis i galaxcentren. Hur stabila är de? Vilket svart hål torkar först: stort och glupskt eller litet?
Finns det en kritisk storlek för stabiliteten hos ett svart hål? Ett svart hål som väger 1012 kg kan vara stabilt i flera miljarder år. Men ett svart hål i 105-massområdet kan explodera på en sekund och kommer definitivt inte att vara stabilt. Var är det gyllene medelvärdet, vid vilket tillströmningen av materia kommer att vara lika med Hawking-strålningen?
Stabilitet hos svarta hål
Det första att börja med är stabiliteten i det svarta hålet i sig. Varje annat objekt i universum, astrofysiskt eller på annat sätt, har krafter som håller det ihop mot universum som försöker riva sönder det. Väteatomen är en stark struktur; en enda ultraviolett foton kan förstöra den genom jonisering av en elektron. För att förstöra en atomkärna behöver du en högre energipartikel som en kosmisk stråle, en accelererad proton eller en gammastrålningsfoton.
Men för stora strukturer som planeter, stjärnor eller till och med galaxer är gravitationskrafterna som håller dem enorma. För att bryta en sådan megastruktur krävs som regel antingen en termonukleär reaktion eller en otroligt stark tyngdkraftseffekt utifrån - till exempel från en passerande stjärna, svart hål eller galax.
När det gäller svarta hål är detta dock inte fallet. Massan av det svarta hålet, i stället för att fördelas över volymen, dras samman till en unikhet. I ett icke-roterande svart hål är detta en punkt med noll dimension. Ett snurrande svart hål är inte mycket bättre: en oändligt tunn, endimensionell ring.
Kampanjvideo:
Dessutom ligger hela massenergiinnehållet i ett svart hål inom händelsehorisonten. Svarta hål är de enda föremålen i universum som har en händelsehorisont: en gräns utöver vilken det är omöjligt att återvända. Ingen acceleration och därmed ingen kraft kommer att kunna dra materia, massa eller energi från händelsehorisonten över dess gränser.
Detta kan betyda att svarta hål, bildade på något möjligt sätt, bara kan växa och aldrig kommer att förstöras. Och de växer, obevekligt och oavbrutet. Vi observerar alla slags fenomen i universum, såsom:
- kvasarer;
- kavajer;
- aktiva galaktiska kärnor;
- mikrokvasars;
- stjärnor som inte avger något ljus;
- Röntgen- och radiobristningar från galaktiska centra;
som leder oss till svarta hål. Genom att bestämma deras massor försöker vi ta reda på de fysiska dimensionerna av deras händelsehorisonter. Allt som kolliderar med det, korsar det eller till och med berör det kommer oundvikligen att falla inåt. Och sedan, tack vare energibesparingen, kommer massan av det svarta hålet också att öka.
Denna process inträffar med varje svart hål som vi känner till. Material från andra stjärnor, kosmiskt damm, interstellär materia, gasmoln, till och med strålning och neutriner som är kvar från Big Bang skickas allt dit. Varje fråga som kolliderar med ett svart hål ökar dess massa. Tillväxten av svarta hål beror på materialets densitet och energi som omger det svarta hålet; monsteret i centrum av vår Vintergatan växer med en hastighet av 1 solmassa vart tredje år; det svarta hålet i mitten av Sombrero-galaxen växer med en solmassa på 20 år.
Ju större och tyngre ditt svarta hål i genomsnitt, desto snabbare växer det, beroende på vilket material du stöter på. Dess tillväxthastighet saktar ner över tiden, men eftersom universum bara är cirka 13,8 miljarder år gammalt växer svarta hål vackert.
Å andra sidan växer svarta hål inte bara över tiden; det finns också en process för deras avdunstning: Hawking-strålning. Detta beror på att rymden är starkt krökt nära händelsehorisonten, men räcker ut med avstånd. Om du befinner dig på långt avstånd kan du se en liten mängd strålning som släpps ut från det krökta området nära händelsehorisonten, på grund av att kvantvakuumet har olika egenskaper i olika krökta områden i rymden.
Slutresultatet är att svarta hål avger termisk strålning från den svarta kroppen (mestadels i form av fotoner) i alla riktningar runt dem, i en rymdvolym som i grunden omsluter cirka tio Schwarzschild-radier vid platsen för det svarta hålet. Och det kan tyckas konstigt, men ju mindre det svarta hålet desto snabbare avdunstar det.
Hawking-strålning är en oerhört långsam process där ett svart hål med massan av vår sol kommer att avdunsta efter 10 (till kraften 64) år; hålet i centrum av vår Vintergatan - på 10 (till kraften av 87) år, och det mest massiva i universum - på 10 (till en kraft av 100) år. För att beräkna förångningstiden för ett svart hål med en enkel formel måste du ta tidsramen för vår sol och multiplicera med (massan av det svarta hålet / solens massa).
varifrån det följer att ett svart hål med jordens massa kommer att leva i 10 (till kraften 47) år; ett svart hål med massan av den stora pyramiden i Giza (6 miljoner ton) - cirka tusen år; med massan av Empire State Building - ungefär en månad; med massan av en vanlig människa - en pikosekund. Ju mindre massa desto snabbare avdunstar det svarta hålet.
Så vitt vi vet kan universum innehålla svarta hål av otänkbart olika storlekar. Om den var fylld med lätta svarta hål - upp till en miljard ton - skulle de alla ha avdunstat i dag. Det finns inga bevis för att det finns svarta hål med en massa mellan dessa lungor och de som är födda i processen att slå samman neutronstjärnor - i teorin har en massa av 2,5 sol. Ovanför dessa gränser indikerar röntgenstudier förekomsten av svarta hål inom 10-20 solmassa; LIGO visade ett svart hål mellan 8 och 62 solmassor; hitta också supermassiva svarta hål över hela universum.
Idag vinner alla befintliga svarta hål materia snabbare än de tappar på grund av Hawking-strålning. Ett svart hål med solmassa förlorar cirka 10 (till -28 effekt) J energi varje sekund. Men om du tänker på det:
- till och med en CMB-foton har en miljon gånger mer energi;
- 411 av dessa fotoner per kubikcentimeter utrymme förblev efter Big Bang;
- de rör sig med ljusets hastighet och kolliderar 10 biljoner gånger per sekund i varje kubikcentimeter;
till och med ett isolerat svart hål djupt i det intergalaktiska utrymmet kommer att vänta tills universum har mognat till tio (till kraften av 20) år - en miljard gånger sin nuvarande ålder - innan det svarta hålets tillväxttakt faller under hastigheten för Hawking-strålning.
Men låt oss spela ett spel. Antag att du bor i intergalaktiskt utrymme, långt ifrån vanlig materia och mörk materia, långt ifrån alla kosmiska strålar, stjärnstrålning och neutriner, och att du bara har fotoner från Big Bang att prata med. Hur stort behöver ditt svarta hål vara för att avdunstningshastigheten (Hawking-strålning) och absorptionen av fotoner från ditt svarta hål (tillväxt) ska balansera varandra?
Svaret erhålls i regionen 10 (till en kraft av 23) kg, det vill säga ungefär med massan av planeten Merkurius. Om kvicksilver var ett svart hål skulle det ha en halv millimeter i diameter och utstråla cirka 100 biljoner gånger snabbare än ett svart hål med solmassa. Det är med denna massa i vårt universum som ett svart hål skulle absorbera lika mycket mikrovågsstrålning som det förlorade under Hawking-strålningsprocessen.
Men om du vill ha ett realistiskt svart hål kan du inte isolera det från den återstående materien i universum. Svarta hål, även om de matas ut från galaxer, flyger fortfarande genom det intergalaktiska mediet och kolliderar med kosmiska strålar, stjärnljus, neutriner, mörk materia och alla typer av partiklar, massiva och masslösa. Den kosmiska mikrovågsbakgrunden är oundviklig vart du än går. Svarta hål absorberar ständigt materia och energi och växer i massa och storlek. Ja, de avger också energi, men för att alla svarta hål i vårt universum ska börja tappa snabbare än de växer, tar det cirka 100 miljon år.
Och den slutliga avdunstningen kommer att ta ännu mer.
Ilya Khel