Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Schwarzes Loch zu erzeugen, vom Zusammenbruch eines Supernova-Kerns bis zur Verschmelzung von Neutronensternen mit dem Zusammenbruch einer großen Menge Materie. Wenn wir die Untergrenze nehmen, können Schwarze Löcher 2,5 bis 3 Sonnenmassen haben, aber an der Obergrenze können supermassereiche Schwarze Löcher 10 Milliarden Sonnenmassen überschreiten. Sie sind normalerweise in den Zentren von Galaxien zu finden. Wie stabil sind sie? Welches Schwarze Loch wird zuerst austrocknen: groß und unersättlich oder klein?
Gibt es eine kritische Größe für die Stabilität eines Schwarzen Lochs? Ein Schwarzes Loch mit einem Gewicht von 1012 Kilogramm kann mehrere Milliarden Jahre lang stabil sein. Aber ein Schwarzes Loch im Massenbereich von 105 kann in einer Sekunde explodieren und wird definitiv nicht stabil sein. Wo ist das goldene Mittel, bei dem der Materiefluss der Hawking-Strahlung entspricht?
Stabilität von Schwarzen Löchern
Das erste, was Sie anfangen müssen, ist die Stabilität des Schwarzen Lochs. Jedes andere Objekt im Universum, ob astrophysikalisch oder auf andere Weise, hat Kräfte, die es gegen das Universum zusammenhalten, das versucht, es auseinander zu reißen. Das Wasserstoffatom ist eine starke Struktur; Ein einzelnes ultraviolettes Photon kann es durch Ionisierung eines Elektrons zerstören. Um einen Atomkern zu zerstören, benötigen Sie ein Teilchen mit höherer Energie wie einen kosmischen Strahl, ein beschleunigtes Proton oder ein Gammastrahlenphoton.
Aber für große Strukturen wie Planeten, Sterne oder sogar Galaxien sind die Gravitationskräfte, die sie halten, enorm. Um eine solche Megastruktur zu zerstören, ist in der Regel entweder eine thermonukleare Reaktion oder eine unglaublich starke Schwerkraftwirkung von außen erforderlich - beispielsweise von einem vorbeiziehenden Stern, einem Schwarzen Loch oder einer Galaxie.
Bei Schwarzen Löchern ist dies jedoch nicht der Fall. Die Masse des Schwarzen Lochs zieht sich nicht über das Volumen verteilt, sondern zu einer Singularität zusammen. In einem nicht rotierenden Schwarzen Loch ist dies ein Punkt mit der Dimension Null. Ein sich drehendes Schwarzes Loch ist nicht viel besser: ein unendlich dünner, eindimensionaler Ring.
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Darüber hinaus befindet sich der gesamte Massenenergiegehalt eines Schwarzen Lochs innerhalb des Ereignishorizonts. Schwarze Löcher sind die einzigen Objekte im Universum, die einen Ereignishorizont haben: eine Grenze, über die es unmöglich ist, zurückzukehren. Keine Beschleunigung und daher keine Kraft wird in der Lage sein, Materie, Masse oder Energie aus dem Ereignishorizont über seine Grenzen hinaus zu ziehen.
Dies könnte bedeuten, dass schwarze Löcher, die auf irgendeine Weise gebildet werden, nur wachsen können und niemals zerstört werden. Und sie wachsen unerbittlich und ohne Unterbrechung. Wir beobachten alle Arten von Phänomenen im Universum, wie zum Beispiel:
- Quasare;
- Blazare;
- aktive galaktische Kerne;
- Mikroquasare;
- Sterne, die kein Licht aussenden;
- Röntgen- und Radiostöße von galaktischen Zentren;
die uns zu schwarzen Löchern führen. Indem wir ihre Massen bestimmen, versuchen wir, die physische Größe ihres Ereignishorizonts herauszufinden. Alles, was damit kollidiert, es überquert oder sogar berührt, fällt unweigerlich nach innen. Und dann wird dank der Energieeinsparung auch die Masse des Schwarzen Lochs zunehmen.
Dieser Prozess findet bei jedem uns bekannten Schwarzen Loch statt. Material von anderen Sternen, kosmischer Staub, interstellare Materie, Gaswolken, sogar Strahlung und Neutrinos, die vom Urknall übrig geblieben sind, werden dorthin geschickt. Jede Materie, die mit einem Schwarzen Loch kollidiert, erhöht ihre Masse. Das Wachstum von Schwarzen Löchern hängt von der Dichte der Materie und der Energie ab, die das Schwarze Loch umgeben. Das Monster im Zentrum unserer Milchstraße wächst alle 3000 Jahre mit einer Geschwindigkeit von 1 Sonnenmasse. Das Schwarze Loch im Zentrum der Sombrero-Galaxie wächst in 20 Jahren mit einer Geschwindigkeit von 1 Sonnenmasse.
Je größer und schwerer Ihr Schwarzes Loch im Durchschnitt ist, desto schneller wächst es, je nachdem, auf welches Material es trifft. Seine Wachstumsrate verlangsamt sich im Laufe der Zeit, aber da das Universum nur etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist, wachsen schwarze Löcher wunderschön.
Andererseits wachsen schwarze Löcher nicht nur mit der Zeit. Es gibt auch einen Prozess ihrer Verdunstung: Hawking-Strahlung. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Raum in der Nähe des Ereignishorizonts stark gekrümmt ist, sich jedoch mit der Entfernung ausrichtet. Wenn Sie sich in großer Entfernung befinden, können Sie eine geringe Menge an Strahlung sehen, die von dem gekrümmten Bereich in der Nähe des Ereignishorizonts emittiert wird, da das Quantenvakuum in verschiedenen gekrümmten Bereichen des Raums unterschiedliche Eigenschaften aufweist.
Das Endergebnis ist, dass Schwarze Löcher Wärmestrahlung vom schwarzen Körper (meist in Form von Photonen) in alle Richtungen um sie herum emittieren, in einem Raumvolumen, das an der Stelle des Schwarzen Lochs im Wesentlichen etwa zehn Schwarzschild-Radien einschließt. Und es mag seltsam erscheinen, aber je kleiner das Schwarze Loch ist, desto schneller verdunstet es.
Hawking-Strahlung ist ein unglaublich langsamer Prozess, bei dem ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne nach 10 (bis zu 64) Jahren verdunstet. das Loch in der Mitte unserer Milchstraße - in 10 (hoch 87) Jahren und das massereichste im Universum - in 10 (hoch 100) Jahren. Um die Verdunstungszeit eines Schwarzen Lochs mit einer einfachen Formel zu berechnen, müssen Sie den Zeitrahmen unserer Sonne nehmen und mit (Masse des Schwarzen Lochs / Masse der Sonne) multiplizieren.
woraus folgt, dass ein Schwarzes Loch mit der Masse der Erde 10 (hoch 47) Jahre lang leben wird; ein Schwarzes Loch mit der Masse der Großen Pyramide in Gizeh (6 Millionen Tonnen) - ungefähr tausend Jahre; mit der Masse des Empire State Building - ungefähr einen Monat; mit der Masse eines gewöhnlichen Menschen - eine Pikosekunde. Je weniger Masse, desto schneller verdunstet das Schwarze Loch.
Soweit wir wissen, könnte das Universum schwarze Löcher von unvorstellbar unterschiedlichen Größen enthalten. Wenn es mit hellen Schwarzen Löchern gefüllt wäre - bis zu einer Milliarde Tonnen - wären sie bis heute alle verdunstet. Es gibt keine Beweise dafür, dass es schwarze Löcher mit einer Masse zwischen diesen Lungen und denen gibt, die beim Verschmelzen von Neutronensternen entstehen - theoretisch haben eine Masse von 2,5 Sonnen. Oberhalb dieser Grenzen weisen Röntgenuntersuchungen auf das Vorhandensein von Schwarzen Löchern im Bereich von 10 bis 20 Sonnenmassen hin. LIGO zeigte ein Schwarzes Loch zwischen 8 und 62 Sonnenmassen; Finden Sie auch supermassereiche Schwarze Löcher im ganzen Universum.
Heute gewinnen alle vorhandenen Schwarzen Löcher schneller an Materie als sie durch Hawking-Strahlung verlieren. Ein Schwarzes Loch mit Sonnenmasse verliert pro Sekunde etwa 10 (nach -28 Potenz) J Energie. Aber wenn Sie das bedenken:
- Selbst ein CMB-Photon hat eine Million Mal mehr Energie.
- 411 dieser Photonen pro Kubikzentimeter Raum blieben nach dem Urknall übrig;
- Sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und kollidieren 10 Billionen Mal pro Sekunde pro Kubikzentimeter.
Selbst ein isoliertes Schwarzes Loch tief im intergalaktischen Raum wird warten, bis das Universum auf 10 (bis zu 20) Jahre gereift ist - eine Milliarde Mal so alt wie heute -, bevor die Wachstumsrate des Schwarzen Lochs unter die Rate der Hawking-Strahlung fällt.
Aber lass uns ein Spiel spielen. Angenommen, Sie leben im intergalaktischen Raum, weit weg von gewöhnlicher Materie und dunkler Materie, weit weg von allen kosmischen Strahlen, Sternstrahlung und Neutrinos, und Sie haben nur Photonen aus dem Urknall, mit denen Sie sich unterhalten können. Wie groß muss Ihr Schwarzes Loch sein, damit sich die Verdunstungsrate (Hawking-Strahlung) und die Absorption von Photonen durch Ihr Schwarzes Loch (Wachstum) gegenseitig ausgleichen können?
Die Antwort wird im Bereich von 10 (hoch 23) kg erhalten, dh ungefähr mit der Masse des Planeten Merkur. Wenn Quecksilber ein Schwarzes Loch wäre, hätte es einen halben Millimeter Durchmesser und würde etwa 100 Billionen Mal schneller ausstrahlen als ein Schwarzes Loch mit Sonnenmasse. Mit dieser Masse in unserem Universum würde ein Schwarzes Loch so viel Mikrowellenstrahlung absorbieren, wie es bei der Hawking-Strahlung verloren hat.
Aber wenn Sie ein realistisches Schwarzes Loch wollen, können Sie es nicht von der verbleibenden Materie im Universum isolieren. Schwarze Löcher fliegen, selbst wenn sie aus Galaxien ausgestoßen werden, immer noch durch das intergalaktische Medium und kollidieren mit kosmischen Strahlen, Sternenlicht, Neutrinos, dunkler Materie und allen Arten von Partikeln, massiv und masselos. Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist überall unvermeidlich. Schwarze Löcher absorbieren ständig Materie und Energie und wachsen an Masse und Größe. Ja, sie emittieren auch Energie, aber bis alle Schwarzen Löcher in unserem Universum schneller erschöpft sind als sie wachsen, wird es ungefähr 100 Billionen Jahre dauern.
Und die endgültige Verdunstung wird noch länger dauern.
Ilya Khel
