Er zijn verschillende manieren om een zwart gat te creëren, van de ineenstorting van een supernovakern tot de samensmelting van neutronensterren met de ineenstorting van een enorme hoeveelheid materie. Als we de ondergrens nemen, kunnen zwarte gaten 2,5 - 3 zonsmassa's hebben, maar aan de bovengrens kunnen superzware zwarte gaten meer dan 10 miljard zonsmassa's hebben. Ze worden meestal aangetroffen in de centra van sterrenstelsels. Hoe stabiel zijn ze? Welk zwart gat zal het eerst opdrogen: groot en vraatzuchtig of klein?
Is er een kritische maat voor de stabiliteit van een zwart gat? Een zwart gat met een gewicht van 1012 kilogram kan miljarden jaren stabiel zijn. Maar een zwart gat met een massa van 105 kan in een seconde exploderen en zal zeker niet stabiel zijn. Waar is de gulden snede, waarbij de instroom van materie gelijk zal zijn aan Hawking-straling?
Stabiliteit van zwarte gaten
Het eerste om mee te beginnen is de stabiliteit van het zwarte gat zelf. Elk ander object in het heelal, astrofysisch of anderszins, heeft krachten die het bij elkaar houden tegen het heelal dat het probeert te verscheuren. Het waterstofatoom is een sterke structuur; een enkel ultraviolet foton kan het vernietigen door een elektron te ioniseren. Om een atoomkern te vernietigen, heb je een deeltje met hogere energie nodig, zoals een kosmische straal, een versneld proton of een gammafoton.
Maar voor grote structuren zoals planeten, sterren of zelfs melkwegstelsels zijn de zwaartekrachten die ze vasthouden enorm. Om zo'n megastructuur te breken, is in de regel een thermonucleaire reactie of een ongelooflijk sterk effect van de zwaartekracht van buitenaf nodig - bijvoorbeeld van een passerende ster, een zwart gat of een sterrenstelsel.
In het geval van zwarte gaten is dit echter niet het geval. De massa van het zwarte gat, in plaats van te worden verdeeld over het volume, trekt samen tot een singulariteit. In een niet-roterend zwart gat is dit een punt met een dimensie nul. Een draaiend zwart gat is niet veel beter: een oneindig dunne, eendimensionale ring.
Promotie video:
Bovendien bevindt alle massa-energie-inhoud van een zwart gat zich binnen de waarnemingshorizon. Zwarte gaten zijn de enige objecten in het heelal met een waarnemingshorizon: een grens waarbuiten het onmogelijk is om terug te keren. Geen enkele versnelling, en dus geen kracht, zal in staat zijn om materie, massa of energie buiten zijn limieten uit de waarnemingshorizon te trekken.
Dit zou kunnen betekenen dat zwarte gaten, op welke manier dan ook gevormd, alleen kunnen groeien en nooit zullen worden vernietigd. En ze groeien, meedogenloos en non-stop. We zien allerlei verschijnselen in het heelal, zoals:
- quasars;
- blazars;
- actieve galactische kernen;
- microquasars;
- sterren die geen licht uitstralen;
- Röntgen- en radioflitsen vanuit galactische centra;
die ons naar zwarte gaten leiden. Door hun massa te bepalen, proberen we de fysieke omvang van hun evenementenhorizon te achterhalen. Alles wat ermee in botsing komt, eroverheen komt of het zelfs aanraakt, zal onvermijdelijk naar binnen vallen. En dan zal dankzij het behoud van energie ook de massa van het zwarte gat toenemen.
Dit proces vindt plaats bij elk zwart gat dat we kennen. Materiaal van andere sterren, kosmisch stof, interstellaire materie, gaswolken, zelfs straling en neutrino's die overblijven van de oerknal worden daar allemaal naartoe gestuurd. Elke materie die in botsing komt met een zwart gat, vergroot zijn massa. De groei van zwarte gaten hangt af van de dichtheid van materie en energie rondom het zwarte gat; het monster in het centrum van onze Melkweg groeit elke 3000 jaar met een snelheid van 1 zonnemassa; het zwarte gat in het centrum van het Sombrero-sterrenstelsel groeit met een snelheid van 1 zonsmassa in 20 jaar.
Hoe groter en zwaarder je zwarte gat gemiddeld, hoe sneller het groeit, afhankelijk van het materiaal dat het tegenkomt. Zijn groeisnelheid vertraagt in de loop van de tijd, maar aangezien het universum slechts ongeveer 13,8 miljard jaar oud is, groeien zwarte gaten prachtig.
Aan de andere kant groeien zwarte gaten niet alleen met de tijd; er is ook een proces van verdamping: Hawking-straling. Dit komt door het feit dat de ruimte sterk gekromd is nabij de waarnemingshorizon, maar recht wordt met de afstand. Als je op grote afstand bent, kun je een kleine hoeveelheid straling zien die wordt uitgezonden vanuit het gebogen gebied nabij de waarnemingshorizon, vanwege het feit dat het kwantumvacuüm verschillende eigenschappen heeft in verschillende gekromde gebieden in de ruimte.
Het eindresultaat is dat zwarte gaten warmtestraling uitzenden van een zwart lichaam (meestal in de vorm van fotonen) in alle richtingen om hen heen, in een ruimtevolume dat in feite ongeveer tien Schwarzschild-stralen omvat op de locatie van het zwarte gat. En het lijkt misschien vreemd, maar hoe kleiner het zwarte gat, hoe sneller het verdampt.
Hawking-straling is een ongelooflijk langzaam proces waarbij een zwart gat met de massa van onze zon na 10 (tot de kracht van 64) jaar zal verdampen; het gat in het centrum van onze Melkweg - in 10 (tot de kracht van 87) jaar, en het meest massieve in het heelal - in 10 (tot de kracht van 100) jaar. Om de verdampingstijd van een zwart gat met een eenvoudige formule te berekenen, moet je het tijdsbestek van onze zon nemen en vermenigvuldigen met (massa van het zwarte gat / massa van de zon).
waaruit volgt dat een zwart gat met de massa van de aarde 10 (tot de kracht van 47) jaar zal leven; een zwart gat met de massa van de Grote Piramide in Gizeh (6 miljoen ton) - ongeveer duizend jaar; met de massa van het Empire State Building - ongeveer een maand; met de massa van een gewoon persoon - een picoseconde. Hoe minder massa, hoe sneller het zwarte gat verdampt.
Voor zover we weten, kan het universum zwarte gaten bevatten van onvoorstelbaar verschillende afmetingen. Als het gevuld zou zijn met lichte zwarte gaten - tot een miljard ton - zouden ze tegen vandaag allemaal zijn verdampt. Er is geen bewijs dat er zwarte gaten zijn met een massa tussen deze longen en degenen die worden geboren tijdens het proces van samensmelting van neutronensterren - in theorie zijn ze hebben een massa van 2,5 zonne-energie. Boven deze limieten wijzen röntgenonderzoeken op het bestaan van zwarte gaten in het bereik van 10-20 zonsmassa; LIGO toonde een zwart gat tussen 8 en 62 zonsmassa's; vind ook superzware zwarte gaten overal in het universum.
Tegenwoordig winnen alle bestaande zwarte gaten sneller aan materie dan aan verliezen door Hawking-straling. Een zwart gat met zonnemassa verliest elke seconde ongeveer 10 (tot de -28 vermogen) J energie. Maar als je bedenkt dat:
- zelfs één CMB-foton heeft een miljoen keer meer energie;
- 411 van deze fotonen per kubieke centimeter ruimte bleven na de oerknal over;
- ze bewegen met de snelheid van het licht en botsen 10 biljoen keer per seconde in elke kubieke centimeter;
zelfs een geïsoleerd zwart gat diep in de intergalactische ruimte zal wachten tot het universum volwassen is geworden tot 10 (tot de kracht van 20) jaar - een miljard keer de huidige leeftijd - voordat de groeisnelheid van het zwarte gat onder de snelheid van Hawking-straling daalt.
Maar laten we een spelletje spelen. Stel dat je in een intergalactische ruimte leeft, ver weg van gewone materie en donkere materie, ver van alle kosmische straling, sterrenstraling en neutrino's, en je hebt alleen fotonen van de oerknal om mee te praten. Hoe groot moet je zwarte gat zijn om de verdampingssnelheid (Hawking-straling) en de opname van fotonen door je zwarte gat (groei) in evenwicht te brengen?
Het antwoord wordt verkregen in het gebied van 10 (tot de kracht van 23) kg, dat wil zeggen ongeveer met de massa van de planeet Mercurius. Als Mercurius een zwart gat was, zou het een halve millimeter in diameter zijn en ongeveer 100 biljoen keer sneller uitstralen dan een zwart gat met een massa van de zon. Het is met deze massa in ons universum dat een zwart gat evenveel microgolfstraling absorbeert als verloren gaat tijdens het proces van Hawking-straling.
Maar als je een realistisch zwart gat wilt, kun je het niet isoleren van de resterende materie in het universum. Zwarte gaten vliegen, zelfs als ze uit sterrenstelsels worden uitgestoten, nog steeds door het intergalactische medium en komen in botsing met kosmische straling, sterlicht, neutrino's, donkere materie en allerlei soorten deeltjes, massief en massaloos. De kosmische microgolfachtergrond is onvermijdelijk, waar u ook gaat. Zwarte gaten absorberen constant materie en energie en groeien in massa en omvang. Ja, ze zenden ook energie uit, maar om alle zwarte gaten in ons universum sneller uit te putten dan te groeien, duurt het ongeveer 100 triljoen jaar.
En de uiteindelijke verdamping zal nog meer kosten.
Ilya Khel
