Yra keletas būdų, kaip sukurti juodąją skylę, nuo supernovos šerdies žlugimo iki neutroninių žvaigždžių susiliejimo su didžiuliu materijos kiekiu. Jei paimsime apatinę ribą, juodosios skylės gali turėti 2,5 - 3 saulės mases, tačiau viršutinėje riboje supermasyvios juodosios skylės gali viršyti 10 milijardų saulės masių. Paprastai jie yra galaktikų centruose. Ar jie stabilūs? Kuri juodoji skylė išdžius pirmoji: didelė ir žvėriška, ar maža?
Ar yra kritinis juodosios skylės stabilumo dydis? 1012 kilogramų sverianti juodoji skylė gali būti stabili kelis milijardus metų. Tačiau juodoji skylė 105 masės diapazone gali sprogti per sekundę ir tikrai nebus stabili. Kur yra aukso vidurys, kuriame materijos srautas bus lygus Hawkingo spinduliuotei?
Juodųjų skylių stabilumas
Pirmiausia reikia pradėti nuo pačios juodosios skylės stabilumo. Bet kuris kitas astrofizinis ar kitas Visatos objektas turi jėgų, kurios jį laiko prieš Visatą, kuri bando ją išardyti. Vandenilio atomas yra stipri struktūra; vienas ultravioletinis fotonas gali jį sunaikinti jonizuodamas elektroną. Norėdami sunaikinti atomo branduolį, jums reikia didesnės energijos dalelės, tokios kaip kosminis spindulys, pagreitintas protonas ar gama spindulių fotonas.
Tačiau didelėms struktūroms, tokioms kaip planetos, žvaigždės ar net galaktikos, gravitacinės jėgos, laikančios jas, yra milžiniškos. Paprastai, norint suardyti tokią megastruktūrą, reikalinga termobranduolinė reakcija arba neįtikėtinai stiprus gravitacijos poveikis iš išorės - pavyzdžiui, iš praeinančios žvaigždės, juodosios skylės ar galaktikos.
Tačiau juodųjų skylių atveju taip nėra. Juodosios skylės masė, užuot paskirstyta tūriui, susitraukia į singuliarumą. Nesukančiai juodajai skylei tai yra vienas taškas, kurio matmuo yra nulis. Besisukanti juodoji skylė nėra daug geresnė: be galo plonas, vienmatis žiedas.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Be to, visas juodosios skylės masės ir energijos kiekis yra įvykio horizonte. Juodosios skylės yra vieninteliai objektai Visatoje, turintys įvykių horizontą: ribą, už kurios neįmanoma grįžti. Joks pagreitis, taigi ir jėga, negalės ištraukti materijos, masės ar energijos iš įvykių horizonto už savo ribų.
Tai gali reikšti, kad visais įmanomais būdais susidariusios juodosios skylės gali tik augti ir niekada nebus sunaikintos. Jie auga nenumaldomai ir be perstojo. Mes stebime įvairius Visatos reiškinius, tokius kaip:
- kvazarai;
- Blazarai;
- aktyvūs galaktikos branduoliai;
- mikrokvazarai;
- žvaigždės, kurios neskleidžia šviesos;
- Rentgeno ir radijo sprogimai iš galaktikos centrų;
kurios mus veda į juodąsias skyles. Nustatydami jų mases, mes stengiamės išsiaiškinti jų įvykių horizonto fizinius matmenis. Viskas, kas su juo susiduria, kerta ar net paliečia, neišvengiamai kris į vidų. Tada energijos taupymo dėka padidės ir juodosios skylės masė.
Šis procesas vyksta su kiekviena mums žinoma juodąja skylute. Ten siunčiama medžiaga iš kitų žvaigždžių, kosminės dulkės, tarpžvaigždinė medžiaga, dujų debesys, net radiacija ir neutrinai, likę iš Didžiojo sprogimo. Bet kokia medžiaga, susidūrusi su juodąja skylute, padidina jos masę. Juodųjų skylių augimas priklauso nuo juodąją skylę supančios medžiagos ir energijos tankio; mūsų Paukščių Tako centre esanti pabaisa auga po 1 saulės masę kas 3000 metų; juodoji skylė Sombrero galaktikos centre per 20 metų auga 1 saulės masės greičiu.
Kuo didesnė ir sunkesnė yra jūsų juodoji skylė, tuo greičiau ji auga, priklausomai nuo medžiagos, su kuria susiduria. Laikui bėgant jo augimo tempas sulėtėja, tačiau kadangi visata yra tik apie 13,8 milijardo metų, juodosios skylės gražiai auga.
Kita vertus, juodosios skylės laikui bėgant ne tik auga; taip pat yra jų garavimo procesas: Hawkingo spinduliuotė. Taip yra dėl to, kad erdvė yra stipriai išlenkta netoli įvykio horizonto, tačiau ištiesėja iš tolo. Jei esate dideliu atstumu, galite pamatyti nedidelį radiacijos kiekį, skleidžiamą iš kreivos srities šalia įvykio horizonto, dėl to, kad kvantinis vakuumas turi skirtingas savybes skirtinguose išlenktuose erdvės regionuose.
Galutinis rezultatas yra tas, kad juodosios skylės skleidžia šiluminę spinduliuotę iš juodo kūno (dažniausiai fotonų pavidalu) visomis kryptimis aplink juos, erdvės tūryje, kuri iš esmės uždaro apie dešimt Schwarzschild spindulių juodosios skylės vietoje. Ir tai gali pasirodyti keista, bet kuo mažesnė juodoji skylė, tuo greičiau ji garuoja.
Hokingo spinduliuotė yra neįtikėtinai lėtas procesas, kurio metu juodoji skylė su mūsų Saulės mase išgaruos po 10 (64 galių) metų; skylė mūsų Paukščių Tako centre - per 10 (87 galiai) metų, o pati masyviausia Visatoje - per 10 (100 galių) metų. Norėdami apskaičiuoti juodosios skylės garavimo laiką naudodami paprastą formulę, turite paimti mūsų Saulės laiko intervalą ir padauginti iš (juodosios skylės masė / Saulės masė).
iš to išplaukia, kad juodoji skylė su Žemės mase gyvuos 10 (47 galiai) metus; juodoji skylė su Didžiosios piramidės mase Gizoje (6 milijonai tonų) - apie tūkstantis metų; su „Empire State Building“mase - apie mėnesį; su paprasto žmogaus mase - pikosekundė. Kuo mažiau masės, tuo greičiau išgaruoja juodoji skylė.
Kiek žinome, visatoje gali būti neįsivaizduojamai skirtingų dydžių juodųjų skylių. Jei jis būtų užpildytas šviesiomis juodosiomis skylėmis - iki milijardo tonų - jos visos būtų išgaravusios iki šiol. Nėra jokių įrodymų, kad tarp šių plaučių ir tų, kurios gimė neutroninių žvaigždžių susijungimo procese, yra juodųjų skylių, kurių masė yra teoriškai. turi 2,5 saulės masę. Viršijus šias ribas, rentgeno tyrimai rodo, kad 10–20 saulės masių diapazone yra juodųjų skylių; LIGO parodė juodąją skylę tarp 8 ir 62 saulės masių; taip pat randi supermasyvių juodųjų skylių visatoje.
Šiandien visos esamos juodosios skylės įgauna materiją greičiau nei praranda dėl Hawkingo radiacijos. Juodoji skylė su saulės mase kiekvieną sekundę praranda apie 10 (iki -28 galios) J energijos. Bet jei manote, kad:
- net vienas CMB fotonas turi milijoną kartų daugiau energijos;
- Po Didžiojo sprogimo liko 411 šių fotonų viename kubiniame centimetre erdvės;
- jie juda šviesos greičiu ir kiekviename kubiniame centimetre susiduria 10 trilijonų kartų per sekundę;
net izoliuota juodoji skylė, esanti giliai tarpgalaktinėje erdvėje, lauks, kol visata subręs iki 10 (iki 20 galių) metų - milijardą kartų didesnio už dabartinį amžių - kol juodosios skylės augimo greitis nukris žemiau Hawkingo radiacijos greičio.
Bet pažaiskime žaidimą. Tarkime, kad jūs gyvenate tarpgalaktinėje erdvėje, toli nuo įprastos materijos ir tamsiosios materijos, toli nuo visų kosminių spindulių, žvaigždžių spinduliuotės ir neutrinų, o jūs turite tik fotonus iš Didžiojo sprogimo, su kuriais galite pabendrauti. Kokio dydžio turi būti jūsų juodoji skylė, kad garavimo greitis (Hawkingo spinduliuotė) ir fotonų absorbcija jūsų juodojoje skylėje (augimas) subalansuotų vienas kitą?
Atsakymas gaunamas maždaug 10 (23 galiai) kg srityje, tai yra maždaug su Merkurijaus planetos mase. Jei Merkurijus būtų juodoji skylė, ji būtų pusės milimetro skersmens ir spinduliuotų apie 100 trilijonų kartų greičiau nei saulės masės juodoji skylė. Su šia mase mūsų visatoje juodoji skylė sugertų tiek daug mikrobangų spinduliuotės, kiek ji prarado Hawkingo spinduliuotės procese.
Bet jei norite realistiškos juodosios skylės, negalite jos izoliuoti nuo likusios visatoje materijos. Juodosios skylės, net ir išmestos iš galaktikų, vis tiek skraido per tarpgalaktinę terpę, susidurdamos su kosminiais spinduliais, žvaigždžių šviesa, neutrinais, tamsiąja medžiaga ir visokiomis dalelėmis, masinėmis ir be masės. Kosminio mikrobangų fono neišvengsi bet kur. Juodosios skylės nuolat sunaudoja medžiagą ir energiją, auga masės ir dydžio. Taip, jie taip pat skleidžia energiją, tačiau tam, kad visos juodosios skylės mūsų Visatoje pradėtų mažėti greičiau, nei jos auga, reikės maždaug 100 kvintilijonų metų.
Galutinis garavimas užtruks dar daugiau.
Ilja Khelis