Es ist angesichts der Vielfalt der Formen, die Materie im Universum annimmt, nicht so leicht vorstellbar, dass es seit Millionen von Jahren nur neutrale Atome von Wasserstoff und Heliumgas gibt. Und es ist genauso schwer vorstellbar, dass eines Tages nach Billiarden Jahren alle Sterne dunkel werden. Nur die Überreste unseres noch lebenden Universums und … der Schwarzen Löcher werden übrig bleiben. Aber sie werden nicht für immer leben. Dies wirft eine interessante Frage auf. Was passiert, wenn das Schwarze Loch durch Hawking-Strahlung genug Energie verliert, so dass seine Energiedichte keine Singularität mehr mit dem Ereignishorizont aufrechterhalten kann? Das heißt, wann hört ein Schwarzes Loch aufgrund der Hawking-Strahlung auf, ein Schwarzes Loch zu sein?
Um diese Frage zu beantworten, ist es wichtig zu verstehen, was ein Schwarzes Loch wirklich ist.
Schwarze Löcher bilden sich normalerweise während des Kernkollapses eines massiven Sterns, wenn abgebrannte Brennelemente keine schwereren Elemente mehr synthetisieren. Wenn die Synthese langsamer wird und stoppt, fällt der Strahlungsdruck im Kern ab, was das einzige war, was den Stern vor dem Zusammenbruch der Gravitation bewahrte. Während die äußeren Schichten häufig eine eskalierende Fusionsreaktion erfahren und einen ehemaligen Stern in eine Supernova aufblasen, kollabiert der Kern zunächst zu einem Neutronenstern. Wenn die Masse jedoch zu groß ist, kollabieren die Neutronen selbst in einen noch dichteren Zustand des Schwarzen Lochs. Ein Schwarzes Loch kann sich auch bilden, wenn ein Neutronenstern von einem Begleitstern genügend Masse gewinnt und die Schwelle überschreitet, die erforderlich ist, um ein Schwarzes Loch zu werden.
Unter dem Gesichtspunkt der Schwerkraft müssen Sie einfach genug Masse in einem ausreichend kleinen Raumvolumen gewinnen, aus dem selbst Licht nicht entweichen kann, um ein Schwarzes Loch zu werden. Jede Masse, einschließlich des Planeten Erde, hat eine Fluchtgeschwindigkeit: die Geschwindigkeit, die entwickelt werden muss, um der Anziehungskraft in einem bestimmten Abstand (z. B. dem Abstand vom Erdmittelpunkt zu seiner Oberfläche) von ihrem Massenschwerpunkt vollständig zu entkommen. Wenn jedoch genügend Masse vorhanden ist, um die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit zu machen, kann nichts diese Barriere überwinden, da nichts die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann.
Dieser Abstand vom Massenschwerpunkt, in dem die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist - nennen wir es R -, bestimmt die Größe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs. Die Tatsache, dass Materie unter solchen Bedingungen existiert, hat jedoch eine andere unmerkliche Konsequenz: Diese Materie muss zu einer Singularität zusammenbrechen. Es kann davon ausgegangen werden, dass es einen Zustand der Materie geben muss, der stabil ist und sich innerhalb des Ereignishorizonts in einem bestimmten Volumen befindet, aber dies ist physikalisch unmöglich.
Um eine äußere Kraft auszuüben, muss das innere Teilchen das Teilchen, das die Kraft vom Massenschwerpunkt trägt, zum Ereignishorizont senden. Dieser Kraftträger ist jedoch auch durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Unabhängig davon, wo Sie sich innerhalb des Ereignishorizonts befinden, enden alle lichtähnlichen Kurven in der Mitte. Es ist noch schlimmer für langsame und massive Partikel. Sobald Sie ein Schwarzes Loch mit einem Ereignishorizont bilden, wird die gesamte Materie in einer Singularität zusammenbrechen.
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Und da nichts ein Schwarzes Loch hinterlassen kann, würde man denken, dass ein Schwarzes Loch so für immer bleiben würde. Und wenn nicht für die Quantenphysik, dann wäre es so. In der Quantenphysik gibt es jedoch eine Energiemenge ungleich Null, die dem Raum selbst innewohnt: ein Quantenvakuum. In einem gekrümmten Raum erhält ein Quantenvakuum völlig andere Eigenschaften als in einem flachen, und es gibt keine Bereiche, deren Krümmung größer wäre als nahe der Singularität eines Schwarzen Lochs. Kombinieren Sie diese beiden Naturgesetze - Quantenphysik und relativistische Raumzeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs - und Sie erhalten das Phänomen der Hawking-Strahlung.
Berechnungen der Quantenfeldtheorie im gekrümmten Raum bieten eine erstaunliche Lösung: Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers wird in den Raum emittiert, der den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs umgibt. Und je kleiner der Ereignishorizont ist, desto größer ist die Krümmung des Raums in der Nähe des Ereignishorizonts und desto höher ist gleichzeitig die Hawking-Strahlungsgeschwindigkeit. Wenn unsere Sonne ein Schwarzes Loch wäre, würde die Hawking-Strahlungstemperatur 62 Nanokelvin betragen; Wenn Sie ein Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie nehmen würden, das 4.000.000 Mal so massereich ist wie die Sonne, würde die Temperatur 15 Femtokelvin oder 0,000025% der Strahlungstemperatur des kleineren Objekts betragen.
Dies bedeutet, je kleiner das Schwarze Loch ist, desto schneller zerfällt es und die größten leben am längsten. Ein Schwarzes Loch mit Sonnenmasse wird ungefähr 1067 Jahre vor der Verdunstung dauern, aber ein Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie wird 1020 Mal länger leben. Interessanterweise wird das Schwarze Loch bis zur letzten Sekunde seines Bestehens einen Ereignishorizont haben. Sobald sich eine Singularität gebildet hat - und solange der Ereignishorizont bestehen bleibt -, bleibt sie eine Singularität, bis die Masse Null ist.
Diese letzte Sekunde im Leben des Schwarzen Lochs wird jedoch zu einem sehr spezifischen und kraftvollen Energieschub führen. Wenn die Masse auf 228 Tonnen abfällt, ist dies ein Signal, dass genau eine Sekunde übrig bleibt. Die Größe des Ereignishorizonts beträgt zu diesem Zeitpunkt 340 Yoktometer oder 3,4 x 10-22: die Größe einer einzelnen Photonenwellenlänge mit einer Energie, die größer ist als die Energie eines Partikels, das der LHC jemals erzeugt hat. Diese letzte Sekunde wird 2,05 x 1022 Joule Energie freisetzen, fünf Millionen Megatonnen TNT-Äquivalent. Es ist, als ob eine Million thermonukleare Bomben in einem winzigen Stück Raum explodierten; Dies ist die letzte Phase der Verdampfung des Schwarzen Lochs.
Was ist übrig? Nur ausgehende Strahlung. Wenn es früher eine Singularität im Raum gab, in der die Masse und möglicherweise auch die Ladung und der Drehimpuls in einem unendlich kleinen Volumen existierten, existiert sie nicht mehr. Der Raum wird in seinen nicht singulären Zustand zurückversetzt, als ob es vorher nichts gegeben hätte. Aber wenn dies geschieht, wird das Universum Billionen Mal Zeit haben, alle seine Angelegenheiten zu erledigen. Wenn das erste Schwarze Loch verdunstet, sind keine Sterne oder anderen Lichtquellen mehr vorhanden. Und es gibt keine "Schwelle", nach der dies geschehen sollte. Es ist nur so, dass das Schwarze Loch vollständig verdunsten sollte. Und soweit wir wissen, bleibt nur Strahlung übrig.
Mit anderen Worten, wenn Sie das letzte Schwarze Loch in unserem Universum verdunsten sehen würden, würden Sie nur eine schwarze Leere des Weltraums ohne Licht oder Anzeichen von Aktivität für 10.100 Jahre oder länger sehen. Ein plötzlicher, starker Strahlungsstoß eines bestimmten Spektrums und einer bestimmten Größe ist das letzte Mal, dass unser beobachtbares Universum in Strahlung getaucht wird. Die Verdunstung des letzten Schwarzen Lochs wird das letzte Mal sein, dass das Universum sagt: Lass es Licht sein!
ILYA KHEL
