Existuje několik způsobů, jak vytvořit černou díru, od zhroucení jádra supernovy až po sloučení neutronových hvězd se zhroucením obrovského množství hmoty. Vezmeme-li dolní hranici, černé díry mohou mít 2,5 až 3 sluneční hmoty, ale na horní hranici mohou supermasivní černé díry překročit 10 miliard slunečních hmot. Obvykle se nacházejí v centrech galaxií. Jak stabilní jsou? Která černá díra nejprve uschne: velká a nenasytná nebo malá?
Existuje kritická velikost pro stabilitu černé díry? Černá díra o hmotnosti 1012 kilogramů může být stabilní několik miliard let. Ale černá díra v masovém rozsahu 105 může explodovat za sekundu a rozhodně nebude stabilní. Kde je zlatá střední cesta, při které se příliv hmoty bude rovnat Hawkingovu záření?
Stabilita černých děr
První věcí, kterou je třeba začít, je stabilita samotné černé díry. Jakýkoli jiný objekt ve vesmíru, astrofyzikální nebo jiný, má síly, které jej drží pohromadě proti vesmíru, který se ho snaží roztrhat. Atom vodíku je silná struktura; jediný ultrafialový foton ho může zničit ionizací elektronu. Chcete-li zničit atomové jádro, potřebujete částice s vyšší energií, jako je kosmický paprsek, zrychlený proton nebo foton gama záření.
Ale pro velké struktury, jako jsou planety, hvězdy nebo dokonce galaxie, jsou gravitační síly, které je drží, obrovské. K roztržení takové megastruktury je zpravidla nutná termonukleární reakce nebo neuvěřitelně silný účinek gravitace zvenčí - například od procházející hvězdy, černé díry nebo galaxie.
V případě černých děr to však neplatí. Hmotnost černé díry se místo toho, aby byla distribuována po celém objemu, smršťuje do singularity. V nerotující černé díře je to jeden bod s nulovou dimenzí. Rotující černá díra není o moc lepší: nekonečně tenký jednorozměrný prsten.
Propagační video:
Kromě toho je veškerý obsah hmoty a energie v černé díře v horizontu událostí. Černé díry jsou jedinými objekty ve vesmíru, které mají horizont událostí: hranici, za kterou je nemožné se vrátit. Žádné zrychlení, a tedy ani síla, nebudou schopny vytáhnout hmotu, hmotu nebo energii z horizontu událostí za své hranice.
To by mohlo znamenat, že černé díry, vytvořené jakýmkoli možným způsobem, mohou jen růst a nikdy nebudou zničeny. A rostou, neúnavně a nepřetržitě. Pozorujeme všechny druhy jevů ve vesmíru, například:
- kvasary;
- blazary;
- aktivní galaktická jádra;
- mikrokvazary;
- hvězdy, které nevyzařují žádné světlo;
- Rentgenové a rádiové záblesky z galaktických center;
které nás vedou k černým děrám. Stanovením jejich hmot se snažíme zjistit fyzické rozměry jejich horizontů událostí. Cokoli, co se srazí s ním, protne ho nebo se ho dokonce dotkne, nevyhnutelně spadne dovnitř. A pak se díky zachování energie také zvýší hmotnost černé díry.
K tomuto procesu dochází u každé černé díry, která je nám známa. Posílá se tam materiál z jiných hvězd, kosmický prach, mezihvězdná hmota, plynové mraky, dokonce i záření a neutrina, která zbyla z Velkého třesku. Jakákoli hmota, která se srazí s černou dírou, zvyšuje její hmotnost. Růst černých děr závisí na hustotě hmoty a energie obklopující černou díru; monstrum ve středu naší Mléčné dráhy roste rychlostí 1 sluneční hmoty každých 3000 let; černá díra ve středu galaxie Sombrero roste rychlostí 1 sluneční hmoty za 20 let.
Čím je vaše černá díra v průměru větší a těžší, tím rychleji roste, v závislosti na materiálu, se kterým se setká. Jeho tempo růstu se časem zpomaluje, ale protože vesmír je starý jen asi 13,8 miliard let, černé díry krásně rostou.
Na druhou stranu černé díry nerostou jen postupem času; existuje také proces jejich odpařování: Hawkingovo záření. To je způsobeno skutečností, že prostor je silně zakřivený blízko horizontu události, ale narovnává se se vzdáleností. Pokud jste ve velké vzdálenosti, můžete vidět malé množství záření vyzařovaného ze zakřivené oblasti blízko horizontu událostí, kvůli tomu, že kvantové vakuum má různé vlastnosti v různých zakřivených oblastech vesmíru.
Konečným výsledkem je, že černé díry vyzařují tepelné záření z černého tělesa (většinou ve formě fotonů) ve všech směrech kolem nich, v objemu prostoru, který v podstatě obklopuje asi deset poloměrů Schwarzschildů v místě černé díry. A může se to zdát divné, ale čím menší je černá díra, tím rychleji se odpařuje.
Hawkingovo záření je neuvěřitelně pomalý proces, při kterém se černá díra s hmotou našeho Slunce odpaří po 10 (k síle 64) let; díra ve středu naší Mléčné dráhy - za 10 (na sílu 87) let a nejhmotnější ve vesmíru - za 10 (na sílu 100) let. Chcete-li vypočítat dobu odpařování černé díry pomocí jednoduchého vzorce, musíte vzít časový rámec našeho Slunce a vynásobit (hmotností černé díry / hmotou Slunce).
z čehož vyplývá, že černá díra s hmotou Země bude žít 10 (k síle 47) let; černá díra s hmotou Velké pyramidy v Gíze (6 milionů tun) - asi tisíc let; s hmotou Empire State Building - asi měsíc; s hmotou obyčejného člověka - pikosekunda. Čím méně hmoty, tím rychleji se černá díra odpařuje.
Pokud víme, vesmír by mohl obsahovat černé díry nepředstavitelně různých velikostí. Pokud by byly naplněny světlými černými dírami - až miliardou tun - dnes by se všechny vypařily Neexistují důkazy o tom, že by mezi těmito plícemi a těmi, které se rodí v procesu slučování neutronových hvězd, byly černé díry s hmotou - teoreticky by mít hmotnost 2,5 solárních. Nad těmito limity rentgenové studie naznačují existenci černých děr v rozsahu 10–20 sluneční hmoty; LIGO ukázalo černou díru mezi 8 a 62 hmotami Slunce; také najdete supermasivní černé díry po celém vesmíru.
Dnes všechny existující černé díry získávají hmotu rychleji, než ztrácejí kvůli Hawkingovu záření. Černá díra se sluneční hmotou ztrácí každou sekundu asi 10 (na -28) J energie. Ale pokud si uvědomíte, že:
- dokonce jeden foton CMB má milionkrát více energie;
- Po Velkém třesku zůstalo 411 těchto fotonů na kubický centimetr prostoru;
- pohybují se rychlostí světla a srážejí se 10 bilionůkrát za sekundu v každém kubickém centimetru;
dokonce i izolovaná černá díra hluboko v intergalaktickém prostoru počká, až vesmír dospěje na 10 (na sílu 20) let - miliardkrát vyšší než její současný věk - než tempo růstu černé díry poklesne pod rychlost Hawkingova záření.
Ale pojďme si zahrát hru. Předpokládejme, že žijete v mezigalaktickém prostoru, daleko od obyčejné hmoty a temné hmoty, daleko od všech kosmických paprsků, hvězdného záření a neutrin a na chatování máte jen fotony z Velkého třesku. Jak velká musí být vaše černá díra, aby se rychlost odpařování (Hawkingovo záření) a absorpce fotonů vaší černou dírou (růstem) vzájemně vyvážily?
Odpověď je získána v oblasti 10 (na výkon 23) kg, tj. Přibližně s hmotností planety Merkur. Pokud by Merkur byl černou dírou, měl by průměr o půl milimetru a vyzařoval by asi 100 bilionůkrát rychleji než černá díra se sluneční hmotou. Právě s touto hmotou v našem vesmíru by černá díra absorbovala tolik mikrovlnného záření, kolik ztratila v procesu Hawkingova záření.
Ale pokud chcete realistickou černou díru, nemůžete ji izolovat od zbývající hmoty ve vesmíru. Černé díry, i když jsou vyhozeny z galaxií, stále létají mezigalaktickým médiem a srážejí se s kosmickými paprsky, světlem hvězd, neutriny, temnou hmotou a všemi druhy částic, hmotných i nehmotných. Kosmickému mikrovlnnému pozadí se nelze vyhnout, ať jste kdekoli. Černé díry neustále absorbují hmotu a energii a rostou v hmotnosti a velikosti. Ano, také emitují energii, ale aby se začaly vyčerpávat všechny černé díry v našem vesmíru rychleji, než rostou, bude to trvat asi 100 kvintilionů let.
A konečné odpařování bude trvat ještě více.
Ilya Khel