Existuje niekoľko spôsobov, ako vytvoriť čiernu dieru, od zrútenia jadra supernovy až po spojenie neutrónových hviezd s zrútením obrovského množstva hmoty. Ak vezmeme spodnú hranicu, čierne diery môžu mať 2,5 až 3 slnečné hmoty, ale pri hornej hranici môžu supermasívne čierne diery presiahnuť 10 miliárd slnečných hmôt. Spravidla sa nachádzajú v centrách galaxií. Aké sú stabilné? Ktorá čierna diera najskôr vyschne: veľká a nenásytná alebo malá?
Existuje kritická veľkosť pre stabilitu čiernej diery? Čierna diera s hmotnosťou 1012 kilogramov môže byť stabilná niekoľko miliárd rokov. Ale čierna diera v masovom rozmedzí 105 môže explodovať za sekundu a rozhodne nebude stabilná. Kde je zlatá stredná cesta, pri ktorej sa tok hmoty bude rovnať Hawkingovmu žiareniu?
Stabilita čiernych dier
Prvá vec, ktorú treba začať, je stabilita samotnej čiernej diery. Akýkoľvek iný objekt vo vesmíre, astrofyzikálny alebo iný, má sily, ktoré ho držia pohromade proti vesmíru, ktorý sa ho pokúša roztrhnúť. Atóm vodíka má silnú štruktúru; jediný ultrafialový fotón ho môže zničiť ionizáciou elektrónu. Na zničenie atómového jadra potrebujete časticu s vyššou energiou, ako je kozmický lúč, urýchlený protón alebo fotón gama žiarenia.
Ale pre veľké štruktúry ako planéty, hviezdy alebo dokonca galaxie sú gravitačné sily, ktoré ich držia, obrovské. Na pretrhnutie takejto megastruktúry je spravidla potrebná buď termonukleárna reakcia, alebo neskutočne silný účinok gravitácie zvonku - napríklad od prechádzajúcej hviezdy, čiernej diery alebo galaxie.
V prípade čiernych dier to však neplatí. Hmotnosť čiernej diery sa namiesto rozloženia po objeme stiahne do singularity. Pre nerotujúcu sa čiernu dieru je to jeden bod s nulovou dimenziou. Rotujúca čierna diera nie je oveľa lepšia: nekonečne tenký jednorozmerný prstenec.
Propagačné video:
Okrem toho sa všetok obsah masovej energie čiernej diery nachádza v horizonte udalostí. Čierne diery sú jedinými objektmi vo vesmíre, ktoré majú horizont udalostí: hranicu, za ktorú je nemožné sa vrátiť. Žiadne zrýchlenie, a teda ani sila, nebudú schopné vytiahnuť hmotu, hmotu alebo energiu z horizontu udalostí za svoje hranice.
To by mohlo znamenať, že čierne diery, vytvorené akýmkoľvek možným spôsobom, môžu iba rásť a nikdy nebudú zničené. A rastú, neúnavne a nepretržite. Vo vesmíre pozorujeme všetky druhy javov, ako napríklad:
- kvazarov;
- blazary;
- aktívne galaktické jadrá;
- mikrokvazary;
- hviezdy, ktoré nevyžarujú žiadne svetlo;
- Röntgenové a rádiové záblesky z galaktických centier;
ktoré nás vedú k čiernym dieram. Stanovením ich hmotností sa snažíme zistiť fyzické rozmery ich horizontov udalostí. Čokoľvek, čo sa s ním zrazí, pretne ho alebo sa ho dokonca dotkne, nevyhnutne spadne dovnútra. A potom sa vďaka zachovaniu energie zvýši aj hmotnosť čiernej diery.
Tento proces sa vyskytuje pri každej čiernej diere, ktorá je nám známa. Posiela sa tam materiál z iných hviezd, kozmický prach, medzihviezdna hmota, plynové mračná, dokonca aj žiarenie a neutrína, ktoré zostali po Veľkom tresku. Akákoľvek hmota, ktorá sa zrazí s čiernou dierou, zvyšuje jej hmotnosť. Rast čiernych dier závisí od hustoty hmoty a energie obklopujúcej čiernu dieru; príšera v strede našej Mliečnej dráhy rastie rýchlosťou 1 slnečnej hmoty každých 3000 rokov; čierna diera v strede galaxie Sombrero rastie za 20 rokov rýchlosťou 1 slnečnej hmoty.
Čím je vaša čierna diera v priemere väčšia a ťažšia, tým rýchlejšie rastie, v závislosti od materiálu, s ktorým sa stretne. Jeho tempo rastu sa časom spomaľuje, ale keďže vesmír je starý iba asi 13,8 miliárd rokov, čierne diery rastú krásne.
Na druhej strane, čierne diery nerastú len časom; existuje aj proces ich odparovania: Hawkingovo žiarenie. Je to spôsobené tým, že priestor je blízko horizontu udalostí silne zakrivený, ale so vzdialenosťou sa narovnáva. Ak ste vo veľkej vzdialenosti, môžete vidieť malé množstvo žiarenia emitovaného zo zakrivenej oblasti blízko horizontu udalostí, a to kvôli skutočnosti, že kvantové vákuum má rôzne vlastnosti v rôznych zakrivených oblastiach vesmíru.
Konečným výsledkom je, že čierne diery vyžarujú tepelné žiarenie z čierneho telesa (väčšinou vo forme fotónov) vo všetkých smeroch okolo seba, v objeme priestoru, ktorý v podstate obklopuje asi desať Schwarzschildových polomerov v mieste čiernej diery. A môže sa to zdať čudné, ale čím je čierna diera menšia, tým rýchlejšie sa odparuje.
Hawkingovo žiarenie je neuveriteľne pomalý proces, pri ktorom sa čierna diera s hmotnosťou nášho Slnka vyparí po 10 (na sile 64) rokov; diera v strede našej Mliečnej dráhy - za 10 (k sile 87) rokov a najmasovejšia vo vesmíre - za 10 (k sile 100) rokov. Ak chcete vypočítať čas vyparovania čiernej diery pomocou jednoduchého vzorca, musíte vziať časový rámec nášho Slnka a vynásobiť ho (hmotnosť čiernej diery / hmotnosť Slnka).
z čoho vyplýva, že čierna diera s hmotnosťou Zeme bude žiť 10 (k sile 47) rokov; čierna diera s hmotou Veľkej pyramídy v Gíze (6 miliónov ton) - asi tisíc rokov; s hmotou Empire State Building - asi mesiac; s masou obyčajného človeka - pikosekunda. Čím menej hmoty, tým rýchlejšie sa čierna diera odparuje.
Pokiaľ vieme, vesmír by mohol obsahovať čierne diery nepredstaviteľne rôznych veľkostí. Keby boli naplnené svetlými čiernymi dierami - až miliardou ton - dnes by sa všetky odparili. Neexistujú dôkazy o tom, že by medzi týmito pľúcami a tými, ktoré vznikajú v procese zlučovania neutrónových hviezd, boli čierne diery s hmotou - teoreticky by mať hmotnosť 2,5 solárnych. Nad týmito hranicami naznačujú röntgenové štúdie existenciu čiernych dier v rozmedzí 10-20 slnečnej hmotnosti; LIGO ukázalo čiernu dieru medzi 8 a 62 slnečnými hmotami; tiež nájdite supermasívne čierne diery po celom vesmíre.
Dnes všetky existujúce čierne diery získavajú hmotu rýchlejšie, ako strácajú v dôsledku Hawkingovho žiarenia. Čierna diera so solárnou hmotou stráca každú sekundu asi 10 (na výkon -28) J energie. Ale ak si myslíte, že:
- dokonca aj jeden fotón CMB má miliónkrát viac energie;
- Po Veľkom tresku zostalo 411 týchto fotónov na kubický centimeter priestoru;
- pohybujú sa rýchlosťou svetla a zrážajú sa 10 biliónov krát za sekundu v každom kubickom centimetri;
dokonca aj izolovaná čierna diera hlboko v intergalaktickom priestore počká, kým vesmír nedozreje na 10 (k sile 20) rokov - čo je miliarda násobok jeho súčasného veku - kým tempo rastu čiernej diery neklesne pod rýchlosť Hawkingovho žiarenia.
Poďme si však zahrať hru. Predpokladajme, že žijete v medzigalaktickom priestore, ďaleko od obyčajnej a tmavej hmoty, ďaleko od všetkých kozmických lúčov, hviezdneho žiarenia a neutrín, a na rozhovor máte iba fotóny z Veľkého tresku. Aká veľká musí byť vaša čierna diera, aby sa rýchlosť vyparovania (Hawkingovo žiarenie) a absorpcia fotónov vašou čiernou dierou (rastom) navzájom vyrovnali?
Odpoveď sa získava v oblasti 10 (na výkon 23) kg, teda približne s hmotnosťou planéty Merkúr. Keby bola Merkúr čiernou dierou, mala by priemer asi pol milimetra a vyžarovala by asi 100 biliónovkrát rýchlejšie ako čierna diera so slnečnou hmotou. Práve s touto hmotou v našom vesmíre by čierna diera absorbovala toľko mikrovlnného žiarenia, koľko stratila v procese Hawkingovho žiarenia.
Ale ak chcete realistickú čiernu dieru, nemôžete ju izolovať od zvyšnej hmoty vo vesmíre. Čierne diery, aj keď sú vyhodené z galaxií, stále lietajú cez intergalaktické médium a zrážajú sa s kozmickými lúčmi, svetlom hviezd, neutrínami, tmavou hmotou a všetkými druhmi častíc, hmotných i nehmotných. Kozmickému mikrovlnnému pozadiu sa nedá vyhnúť, nech ste kdekoľvek. Čierne diery neustále konzumujú hmotu a energiu a rastú v hmote a veľkosti. Áno, tiež emitujú energiu, ale kým sa všetky čierne diery v našom vesmíre začnú vyčerpávať rýchlejšie, ako budú rásť, bude to trvať asi 100 kvintiliónov rokov.
A konečné odparenie bude trvať ešte viac.
Iľja Khel