On olemassa useita tapoja luoda musta aukko, supernovan ytimen romahtamisesta neutronitähtien sulautumiseen valtavan määrän aineen romahtamisen kanssa. Jos otamme alarajan, mustilla aukoilla voi olla 2,5 - 3 aurinkomassaa, mutta ylärajalla supermassiiviset mustat aukot voivat ylittää 10 miljardia aurinkomassaa. Ne löytyvät yleensä galaksien keskuksista. Kuinka vakaita he ovat? Mikä musta aukko kuivuu ensin: iso ja ahne vai pieni?
Onko mustan aukon vakaudelle kriittinen koko? 1012 kiloa painava musta aukko voi olla vakaa useita miljardeja vuosia. Mutta musta aukko massan 105 alueella voi räjähtää sekunnissa eikä se ole varmasti vakaa. Missä on kultainen keskitie, jolla aineen virtaus on yhtä suuri kuin Hawkingin säteily?
Mustien aukkojen vakaus
Ensimmäinen asia aluksi on itse mustan aukon vakaus. Millä tahansa muulla maailmankaikkeuden esineellä, astrofyysisellä tai muulla, on voimia, jotka pitävät sitä yhdessä universumia vastaan, joka yrittää repiä sen erilleen. Vetyatomi on vahva rakenne; yksi ultraviolettifotoni voi tuhota sen ionisoimalla elektronin. Atomin tuhoamiseksi tarvitset korkeamman energian hiukkasen, kuten kosmisen säteen, kiihdytetyn protonin tai gammasätefotonin.
Mutta suurille rakenteille, kuten planeetoille, tähdille tai jopa galakseille, niitä pitävät painovoimat ovat valtavat. Tällaisen megarakenteen rikkomiseen tarvitaan pääsääntöisesti joko ydinreaktio tai uskomattoman voimakas painovoiman vaikutus ulkopuolelta - esimerkiksi ohimennen tähdestä, mustasta aukosta tai galaksista.
Mustien aukkojen tapauksessa näin ei kuitenkaan ole. Mustan aukon massa sen sijaan, että se jaettaisiin tilavuuteen, supistuu singulariteetiksi. Pyörimättömälle mustalle aukolle tämä on yksi piste, jonka mitat ovat nollat. Pyörivä musta aukko ei ole paljon parempi: äärettömän ohut, yksiulotteinen rengas.
Mainosvideo:
Lisäksi kaikki mustan aukon massa-energiasisältö on tapahtumahorisontissa. Mustat aukot ovat ainoat kohteet maailmankaikkeudessa, joilla on tapahtumahorisontti: raja, jonka yli on mahdotonta palata. Mikään kiihtyvyys ja siten mikään voima ei pysty vetämään ainetta, massaa tai energiaa tapahtumahorisontista rajojensa yli.
Tämä voi tarkoittaa, että mustat aukot, jotka muodostuvat kaikin mahdollisin tavoin, voivat vain kasvaa eikä niitä koskaan tuhota. Ja he kasvavat säälimättömästi ja pysähtymättä. Havaitsemme kaikenlaisia ilmiöitä maailmankaikkeudessa, kuten:
- kvasaarit;
- bleiserit;
- aktiiviset galaktiset ytimet;
- mikrokvaasarit;
- tähdet, jotka eivät lähetä valoa;
- Röntgen- ja radiopurkaukset galaktisista keskuksista;
jotka johtavat meidät mustiin reikiin. Määrittämällä heidän massansa, yritämme selvittää heidän tapahtumahorisontinsa fyysiset ulottuvuudet. Kaikki, mikä törmää siihen, ylittää sen tai jopa koskettaa sitä, putoaa väistämättä sisäänpäin. Ja sitten energiansäästön ansiosta myös mustan aukon massa kasvaa.
Tämä prosessi tapahtuu jokaisen tuntemamme mustan aukon kanssa. Muiden tähtien materiaaleja, kosmista pölyä, tähtienvälistä ainetta, kaasupilviä, jopa säteilyä ja neutriinoja, jotka ovat jääneet Suuresta Bangista, lähetetään kaikki sinne. Mikä tahansa aine, joka törmää mustaan aukkoon, lisää sen massaa. Mustien aukkojen kasvu riippuu mustaa aukkoa ympäröivän aineen ja energian tiheydestä; Linnunradan keskellä oleva hirviö kasvaa yhdellä aurinkomassalla 3000 vuoden välein; musta aukko Sombreron galaksin keskellä kasvaa nopeudella 1 aurinkomassa 20 vuodessa.
Keskimäärin suurempi ja painavampi musta aukko, sitä nopeammin se kasvaa, riippuen kohdatusta materiaalista. Sen kasvuvauhti hidastuu ajan myötä, mutta koska maailmankaikkeus on vain noin 13,8 miljardia vuotta vanha, mustat aukot kasvavat kauniisti.
Toisaalta mustat aukot eivät vain kasva ajan myötä; on myös niiden haihtumisprosessi: Hawking-säteily. Tämä johtuu siitä, että tila on voimakkaasti kaareva tapahtumahorisontin lähellä, mutta suoristuu etäisyyden myötä. Jos olet suurella etäisyydellä, voit nähdä pienen määrän säteilyä kaarevalta alueelta lähellä tapahtumahorisonttia johtuen siitä, että kvantti-tyhjöllä on erilaiset ominaisuudet eri kaarevilla avaruusalueilla.
Lopputuloksena on, että mustat aukot lähettävät lämpösäteilyä mustasta kappaleesta (lähinnä fotonien muodossa) kaikkiin suuntiin niiden ympärillä, tilavuudessa, joka sulkee pohjimmiltaan noin kymmenen Schwarzschild-sädettä mustan aukon sijaintiin. Ja se saattaa tuntua oudolta, mutta mitä pienempi musta aukko, sitä nopeammin se haihtuu.
Hawking-säteily on uskomattoman hidas prosessi, jossa musta aukko, jossa on aurinkomme massa, haihtuu 10 (64 vuoden voimaksi) vuoden kuluttua; reikä Linnunradan keskellä - 10 (87 voimalle) vuodessa ja maailmankaikkeuden massiivisin - 10 (100 voimaan) vuodessa. Laskeaksesi mustan aukon haihtumisaika yksinkertaisella kaavalla, sinun on otettava aurinkomme aikakehys ja kerrottava (mustan aukon massa / auringon massa).
josta seuraa, että musta aukko, jonka massa on maapalloa, elää 10 (47: n voimaan) vuotta; musta aukko, jonka massa on suuri pyramidi Gizassa (6 miljoonaa tonnia) - noin tuhat vuotta; Empire State Buildingin massa - noin kuukausi; tavallisen ihmisen massan kanssa - pikosekunti. Mitä vähemmän massaa, sitä nopeammin musta aukko haihtuu.
Sikäli kuin tiedämme, maailmankaikkeus voi sisältää kuvittelemattomasti erikokoisia mustia aukkoja. Jos se olisi täynnä mustia reikiä - jopa miljardia tonnia -, ne kaikki olisivat haihtuneet tänään. Ei ole todisteita siitä, että näiden keuhkojen ja neutronitähtien sulautumisessa syntyneiden välillä on mustia aukkoja, joiden massa on teoreettisesti massa on 2,5 aurinkoa. Näiden rajojen yläpuolella röntgentutkimukset osoittavat mustien aukkojen olemassaolon 10-20 aurinkomassan alueella; LIGO osoitti mustaa aukkoa 8-62 aurinkomassan välillä; Löydä myös supermassiivisia mustia aukkoja kaikkialta maailmankaikkeudesta.
Nykyään kaikki olemassa olevat mustat aukot ovat saamassa ainetta nopeammin kuin ne menettävät Hawking-säteilyn vuoksi. Musta aukko, jolla on aurinkomassa, menettää noin 10 (-28 tehoon) J energiaa sekunnissa. Mutta jos pidät sitä:
- jopa yhdellä CMB-fotonilla on miljoona kertaa enemmän energiaa;
- 411 näistä fotoneista tilaa kuutiosenttimetriä kohden jäi Ison räjähdyksen jälkeen;
- ne liikkuvat valon nopeudella ja törmäävät 10 biljoonaa kertaa sekunnissa jokaisessa kuutiosenttimetrissä;
jopa eristetty musta aukko, joka on syvällä intergalaktisessa avaruudessa, odottaa, kunnes maailmankaikkeus on kypsynyt 10 (20 voimaan) vuoteen - miljardi kertaa nykyiseen ikäänsä - ennen kuin mustan aukon kasvuvauhti laskee alle Hawking-säteilyn.
Mutta pelataan peliä. Oletetaan, että asut intergalaktisessa avaruudessa, kaukana tavallisesta aineesta ja pimeästä aineesta, kaukana kaikista kosmisista säteistä, tähtien säteilystä ja neutriinoista, ja sinulla on vain Big Bangista peräisin olevia fotoneja, joiden kanssa voit jutella. Kuinka suuren mustan aukon on oltava, jotta haihtumisnopeus (Hawking-säteily) ja mustan aukon (kasvun) fotonien imeytyminen tasapainottavat toisiaan?
Vastaus saadaan alueella 10 (23 tehoon), ts. Suunnilleen elohopean planeetan massalla. Jos elohopea olisi musta aukko, sen halkaisija olisi puoli millimetriä ja se säteilisi noin 100 biljoonaa kertaa nopeammin kuin aurinkomassan musta aukko. Juuri tällä universumissamme olevalla massalla musta aukko absorboisi yhtä paljon mikroaaltosäteilyä kuin se hävisi Hawking-säteilyn aikana.
Mutta jos haluat realistisen mustan aukon, et voi eristää sitä universumin jäljellä olevasta aineesta. Mustat aukot, vaikka ne poistettaisiin galakseista, lentävät silti galaktisten alueiden läpi törmäten kosmisiin säteisiin, tähtivaloon, neutriinoihin, pimeään aineeseen ja kaikenlaisiin massiivisiin ja massattomiin hiukkasiin. Kosminen mikroaaltotausta on väistämätön missä tahansa menetkin. Mustat aukot kuluttavat jatkuvasti ainetta ja energiaa ja kasvavat massaan ja kokoonsa. Kyllä, ne päästävät myös energiaa, mutta ennen kuin kaikki maailmankaikkeuden mustat aukot alkavat kulua nopeammin kuin ne kasvavat, kestää noin 100 kvintiljoonaa vuotta.
Ja lopullinen haihdutus vie vielä enemmän.
Ilya Khel