Ir vairāki veidi, kā izveidot melno caurumu, sākot no supernovas kodola sabrukšanas līdz neitronu zvaigžņu saplūšanai ar milzīga materiāla daudzuma sabrukumu. Ja mēs ņemam apakšējo robežu, melnajiem caurumiem var būt no 2,5 līdz 3 saules masas, bet augšējā robežā supermasīvie melnie caurumi var pārsniegt 10 miljardus saules masu. Parasti tie atrodas galaktiku centros. Cik viņi ir stabili? Kurš melnais caurums vispirms izžūs: liels un rijīgs vai mazs?
Vai melnā cauruma stabilitātei ir kritisks izmērs? Melnā caurums, kas sver 1012 kilogramus, var būt stabils vairākus miljardus gadu. Bet melnā caurums 105 masas diapazonā var eksplodēt sekundē un noteikti nebūs stabils. Kur ir zelta vidusceļš, kurā vielas pieplūdums būs vienāds ar Hokinga starojumu?
Melno caurumu stabilitāte
Vispirms jāsāk ar paša melnā cauruma stabilitāti. Jebkuram citam Visuma objektam, gan astrofiziskam, gan citam, ir spēki, kas to tur kopā ar Visumu, kas mēģina to saplēst. Ūdeņraža atoms ir spēcīga struktūra; viens ultravioletais fotons var to iznīcināt, jonizējot elektronu. Lai iznīcinātu atomu kodolu, jums ir nepieciešama augstākas enerģijas daļiņa, piemēram, kosmiskais stars, paātrināts protons vai gamma staru fotons.
Bet lielām struktūrām, piemēram, planētām, zvaigznēm vai pat galaktikām, gravitācijas spēki, kas tos tur, ir milzīgi. Parasti šādas megastruktūras pārrāvumam ir nepieciešama vai nu kodolreakcija, vai arī neticami spēcīga gravitācijas ietekme no ārpuses - piemēram, no garām braucošas zvaigznes, melnā cauruma vai galaktikas.
Tomēr melno caurumu gadījumā tas tā nav. Melnā cauruma masa, nevis sadalīta pa tilpumu, saraujas vienskaitlī. Nerotējošam melnajam caurumam tas ir viens punkts ar nulles izmēru. Spiningojošais melnais caurums nav daudz labāks: bezgalīgi plāns, viendimensionāls gredzens.
Reklāmas video:
Turklāt viss melnās cauruma masas un enerģijas saturs atrodas notikumu horizonta zonā. Melnās caurumi ir vienīgie objekti Visumā, kuriem ir notikumu horizonts: robeža, kuru pārsniedzot nav iespējams atgriezties. Neviens paātrinājums un līdz ar to neviens spēks nespēs izvilkt matēriju, masu vai enerģiju no notikumu horizonta ārpus tās robežām.
Tas varētu nozīmēt, ka melnie caurumi, kas veidoti visos iespējamos veidos, var tikai augt un nekad netiks iznīcināti. Un viņi aug, nepielūdzami un bez apstājas. Mēs novērojam Visumā visu veidu parādības, piemēram:
- kvazāri;
- bleizeri;
- aktīvie galaktikas kodoli;
- mikrokvazāri;
- zvaigznes, kas neizstaro gaismu;
- Rentgena un radio sprādzieni no galaktikas centriem;
kas mūs noved pie melnajiem caurumiem. Nosakot viņu masas, mēs cenšamies noskaidrot viņu notikumu horizonta fiziskās dimensijas. Viss, kas ar to saduras, šķērso vai pat pieskaras, neizbēgami nokrīt uz iekšu. Un tad, pateicoties enerģijas saglabāšanai, palielināsies arī melnā cauruma masa.
Šis process notiek ar katru mums zināmo melno caurumu. Tur tiek sūtīti materiāli no citām zvaigznēm, kosmiskie putekļi, starpzvaigžņu viela, gāzes mākoņi, pat starojums un neitrīno, kas palikuši pāri no Lielā sprādziena. Jebkura viela, kas saduras ar melno caurumu, palielina tās masu. Melno caurumu augšana ir atkarīga no vielas un enerģijas blīvuma, kas ap melno caurumu; briesmonis mūsu Piena ceļa centrā ik pēc 3000 gadiem pieaug ar 1 saules masu; melnais caurums Sombrero galaktikas centrā 20 gadu laikā pieaug ar 1 saules masas ātrumu.
Jo lielāks un smagāks ir jūsu melnais caurums, jo ātrāk tas aug, atkarībā no tā, ar kādu materiālu tas sastopas. Tā augšanas ātrums laika gaitā palēninās, taču, tā kā Visumam ir tikai aptuveni 13,8 miljardi gadu, melnie caurumi aug skaisti.
No otras puses, melnie caurumi laika gaitā ne tikai pieaug; ir arī to iztvaikošanas process: Hokinga starojums. Tas ir saistīts ar faktu, ka telpa ir stipri izliekta netālu no notikuma horizonta, bet iztaisnojas ar attālumu. Ja atrodaties lielā attālumā, notikuma horizonta tuvumā var redzēt nelielu izstarojuma daudzumu no izliektā reģiona, pateicoties tam, ka kvantu vakuumam ir dažādas īpašības dažādos izliektajos telpas reģionos.
Galarezultāts ir tāds, ka melnie caurumi izstaro melnā ķermeņa (galvenokārt fotonu formā) siltuma starojumu visos virzienos ap tiem, telpas tilpumā, kas melnā cauruma vietā būtībā aptver apmēram desmit Švarcilda rādiusus. Un tas var šķist dīvaini, bet jo mazāks ir melnais caurums, jo ātrāk tas iztvaiko.
Hokinga starojums ir neticami lēns process, kurā melnā caurums ar mūsu Saules masu iztvaiko pēc 10 (64 spēku) gadiem; caurums mūsu Piena ceļa centrā - 10 (pēc spēka 87) gados, un vismasīgākais Visumā - 10 (100 spēkos) gados. Lai aprēķinātu melnās cauruma iztvaikošanas laiku ar vienkāršu formulu, jums jāņem mūsu Saules laika grafiks un jāreizina ar (melnā cauruma masa / Saules masa).
no kā izriet, ka melnā caurums ar Zemes masu dzīvos 10 (47. gados) gadus; melnā caurums ar Lielās piramīdas masu Gīzā (6 miljoni tonnu) - apmēram tūkstoš gadu; ar Empire State Building masu - apmēram mēnesi; ar parasta cilvēka masu - pikosekunde. Jo mazāk masas, jo ātrāk iztvaiko melnais caurums.
Cik mums zināms, Visums varētu saturēt neiedomājami dažāda lieluma melnos caurumus. Ja tas būtu piepildīts ar gaišām melnām caurumiem - līdz miljardam tonnu -, tie visi šodien būtu iztvaikojuši. Nav pierādījumu, ka starp šīm plaušām un tām, kas dzimušas neitronu zvaigžņu apvienošanās procesā, ir melni caurumi ar masu - teorētiski viņi ir 2,5 saules masa. Virs šīm robežām rentgenstaru pētījumi norāda uz melno caurumu esamību 10-20 Saules masas diapazonā; LIGO parādīja melno caurumu starp 8 un 62 saules masām; atrodiet arī supermasīvos melnos caurumus visā Visumā.
Mūsdienās visas esošās melnās bedrītes iegūst vielu ātrāk nekā tās zaudē Hokinga starojuma dēļ. Melnais caurums ar saules masu katru sekundi zaudē aptuveni 10 (līdz -28 jaudai) J enerģijas. Bet, ja jūs to uzskatāt:
- pat vienam KMB fotonam ir miljons reižu vairāk enerģijas;
- Pēc Lielā sprādziena palika 411 no šiem fotoniem uz kubikcentimetru telpas;
- viņi pārvietojas ar gaismas ātrumu, katrā kubikcentimetrā saduroties 10 triljonus reižu sekundē;
pat izolēts melnais caurums dziļi starpgalaktiskajā telpā gaidīs, kamēr Visums būs nobriedis līdz 10 (20 gadu jaudai) gadiem - miljardu reižu vairāk nekā pašreizējais vecums -, pirms melnā cauruma augšanas ātrums nokritīsies zem Hokinga starojuma ātruma.
Bet nospēlēsim spēli. Pieņemsim, ka jūs dzīvojat starpgalaktiskajā telpā, tālu no parastās matērijas un tumšās matērijas, tālu no visiem kosmiskajiem stariem, zvaigžņu starojuma un neitrīno, un jums ir tikai fotoni no Lielā sprādziena, ar kuriem tērzēt. Cik lielam jābūt jūsu melnajam caurumam, lai iztvaikošanas ātrums (Hokinga starojums) un fotonu absorbcija no jūsu melnā cauruma (augšanas) līdzsvarotu viens otru?
Atbilde tiek iegūta 10 (līdz 23) kg reģionā, tas ir, aptuveni ar Merkura planētas masu. Ja Merkurs būtu melnā caurums, tā diametrs būtu pusmilimetrs un tas izstarotu aptuveni 100 triljonus reižu ātrāk nekā saules masas melnais caurums. Tieši ar šo masu mūsu Visumā melnais caurums absorbētu tik daudz mikroviļņu starojuma, cik tas zaudēja Hokinga starojuma procesā.
Bet, ja vēlaties reālistisku melno caurumu, jūs nevarat to izolēt no Visumā atlikušās matērijas. Melnie caurumi, pat izstumti no galaktikām, joprojām lido pa starpgalaktisko vidi, saduroties ar kosmiskiem stariem, zvaigžņu gaismu, neitrīno, tumšo matēriju un visa veida masīvām un bez masas daļiņām. Kosmiskais mikroviļņu fons ir neizbēgams, lai kur jūs dotos. Melnie caurumi pastāvīgi patērē vielu un enerģiju, un to masa un izmērs pieaug. Jā, tie arī izstaro enerģiju, taču, lai visi melnie caurumi mūsu Visumā sāktu noplicināties ātrāk, nekā tie aug, paies aptuveni 100 kvintiljoni gadu.
Un galīgā iztvaikošana prasīs vēl vairāk.
Iļja Khels