Zwarte gaten zijn misschien wel de meest onbeschrijfelijke objecten in het heelal: de concentratie van zo'n massa dat deze, zoals volgt uit de algemene relativiteitstheorie, instort tot een singulariteit in het midden. Atomen, kernen en zelfs fundamentele deeltjes worden samengeperst tot een oneindig klein punt in onze driedimensionale ruimte. Alles wat in een zwart gat valt, is gedoemd om erin te blijven tot het einde der tijden, gevangen door de zwaartekracht, die zelfs licht niet kan verlaten. Wat is het lot van donkere materie als het een zwart gat tegenkomt?
Zal het als normale materie in de singulariteit worden gezogen en bijdragen aan de massa van het zwarte gat? Zo ja, wat gebeurt er met donkere materie als het zwarte gat verdampt door Hawking-straling?
We moeten beginnen met wat zwarte gaten zijn.
Hier op aarde, als je iets de ruimte in wilt sturen, moet je de zwaartekracht van de aarde overwinnen. Voor onze planeet is de zogenaamde ontsnappingssnelheid ongeveer 11,2 km / s, deze kan worden ontwikkeld met een voldoende krachtige raket. Als we ons op het oppervlak van de zon zouden bevinden, zou de ontsnappingssnelheid veel hoger zijn, 55 keer: 617,5 km / s. Wanneer onze zon sterft, krimpt hij tot een witte dwerg, die de grootte van de aarde zal hebben, maar de helft van de massa van de huidige zon zal hebben. Daarop zal de ontsnappingssnelheid ongeveer 4570 km / s zijn, wat ongeveer 1,5% van de lichtsnelheid is.
Dit is belangrijk omdat je steeds meer massa concentreert in een bepaald gebied van de ruimte en de ontsnappingssnelheid voor dat object steeds dichter bij de lichtsnelheid komt. En zodra je ontsnappingssnelheid op het oppervlak van een object de snelheid van het licht bereikt of overschrijdt, zal niet alleen licht het niet langer kunnen verlaten - voor zover we vandaag materie, energie, ruimte en tijd begrijpen - zal dit hele object ineenstorten tot een singulariteit. De reden is simpel: alle fundamentele krachten, inclusief de krachten die atomen, protonen of zelfs quarks bij elkaar houden, kunnen niet sneller reizen dan de snelheid van het licht. Daarom, als je op een bepaald punt van de centrale singulariteit bent en probeert een object op afstand te beschermen tegen instorting door de zwaartekracht, kun je dat niet; instorting is onvermijdelijk. En alles wat je nodig hebt om deze barrière te overwinnen, is een ster die 20-40 zwaarder is dan de zon.
Promotie video:
Wanneer zijn kern zonder brandstof komt te zitten, zal het centrum onder zijn eigen zwaartekracht exploderen, waardoor een catastrofale supernova ontstaat, die de buitenste lagen opblaast en vernietigt, maar een zwart gat in het centrum achterlaat. Dergelijke zwarte gaten groeien in de loop van de tijd en absorberen alle materie en energie die te dichtbij komt. Zelfs als je beweegt met de snelheid van het licht, kun je erin komen en nooit de waarnemingshorizon verlaten. Door de kromming van de ruimte zelf in het zwarte gat, val je onvermijdelijk ook in een singulariteit in het midden. Wanneer dit gebeurt, voeg je gewoon energie toe aan het zwarte gat.
Buiten kunnen we niet zeggen waaruit het zwarte gat oorspronkelijk bestond - protonen, elektronen, neutronen, donkere materie of antimaterie in het algemeen. Er zijn (voorlopig) slechts drie eigenschappen die we van buitenaf kunnen waarnemen over een zwart gat: zijn massa, zijn elektrische lading en zijn impulsmoment, een maat voor rotatiebeweging. Donkere materie heeft, voor zover we weten, geen elektrische lading, evenals andere kwantumeigenschappen (kleurlading, baryongetal, leptongetal, enz.), Die al dan niet behouden of vernietigd kunnen worden op basis van de informatieparadox van een zwart gat.
Vanwege de manier waarop zwarte gaten ontstaan (door explosies van superzware sterren) wanneer ze zich voor het eerst vormen, zijn zwarte gaten 100% gewone (baryonische) materie en 0% donkere materie. Vergeet niet dat donkere materie alleen gravitationeel interageert, in tegenstelling tot gewone materie, die interageert via gravitatiekrachten, zwakke, elektromagnetische en sterke interacties. Ja, grote sterrenstelsels en hun clusters hebben vijf keer meer donkere materie dan gewone materie, maar het verzamelt zich tot één grote halo. In een typisch melkwegstelsel strekt deze halo van donkere materie zich enkele miljoenen lichtjaren uit, bolvormig, in alle richtingen, terwijl gewone materie geconcentreerd is in een schijf die 0,01% van het volume van donkere materie inneemt.
Zwarte gaten hebben de neiging zich te vormen in de melkweg, waar gewone materie de donkere materie volledig domineert. Stel je de regio van de ruimte voor waarin we ons bevinden: rond onze zon. Als we een bol van 100 AU tekenen. d.w.z. (a.u. is de afstand van de aarde tot de zon) rond ons zonnestelsel, zullen we alle planeten, manen, asteroïden en de hele Kuipergordel omsluiten, maar de baryonische massa - gewone materie - die in onze bol is ingesloten, zal grotendeels worden weergegeven Sunshine en weegt ongeveer 2 x 1030 kg. Aan de andere kant zal de totale hoeveelheid donkere materie in dezelfde bol slechts 1 x 1019 kg zijn, of 0,0000000005% van de massa van gewone materie in dezelfde regio, gelijk aan de massa van een bescheiden asteroïde ter grootte van Juno, ongeveer 200 kilometer in doorsnede.
Na verloop van tijd zullen donkere materie en gewone materie in botsing komen met dit zwarte gat, geabsorbeerd worden en aan zijn massa worden toegevoegd. Het grootste deel van de massale groei zal afkomstig zijn van gewone materie, niet van donkere materie, maar op een gegeven moment, vele biljard jaren in de toekomst, zal het verval van het zwarte gat uiteindelijk de groeisnelheid van het zwarte gat overtreffen. Het stralingsproces van Hawking zorgt ervoor dat deeltjes en fotonen de waarnemingshorizon van het zwarte gat verlaten, waardoor alle energie, lading en impulsmoment van het inwendige van het zwarte gat wordt behouden. Dit proces duurt van 1067 jaar (voor een zwart gat met zonnemassa) tot 10100 jaar (voor de meest massieve zwarte gaten).
Dit betekent dat er wat donkere materie uit zwarte gaten komt, maar totaal anders is dan het volume donkere materie dat aanvankelijk het zwarte gat binnenkwam. Alle zwarte gaten hebben een herinnering aan de dingen die erin zijn gekomen, in de vorm van een kleine reeks kwantumgetallen, en deze hoeveelheid donkere materie is er niet in opgenomen (onthoud dat het niet alle kwantumeigenschappen heeft?). De output zal compleet verschillen van de input.
Donkere materie is dus een andere voedselbron voor zwarte gaten, en verre van de beste. Bovendien is het een volkomen oninteressante voedselbron. Het heeft weinig of geen effect op zwarte gaten.
ILYA KHEL
