A fekete lyuk létrehozásának számos módja van, a szupernóva-mag összeomlásától kezdve a neutroncsillagok összeolvadásáig és hatalmas mennyiségű anyag összeomlásáig. Ha az alsó határt vesszük, akkor a fekete lyukaknak 2,5–3 naptömegük lehet, a felső határon azonban a szupermasszív fekete lyukak meghaladhatják a 10 milliárd naptömeget. Általában a galaxisok központjában találhatók. Mennyire stabilak? Melyik fekete lyuk szárad meg először: nagy és falatozó vagy kicsi?
Van-e kritikus méret a fekete lyuk stabilitása szempontjából? Az 1012 kilogramm súlyú fekete lyuk több milliárd évig stabil lehet. De a fekete lyuk a 105 tömegtartományban egy másodperc alatt felrobbanhat, és biztosan nem lesz stabil. Hol van az arany középút, amelynél az anyag áramlása egyenlő lesz Hawking sugárzással?
A fekete lyukak stabilitása
Az első dolog, amivel kezdeni kell, maga a fekete lyuk stabilitása. A Világegyetem bármely más objektumának, asztrofizikai vagy egyéb, olyan erői vannak, amelyek összetartják azt az Univerzummal szemben, amely megpróbálja széttépni. A hidrogénatom erős szerkezet; egyetlen ultraibolya foton egy elektron ionizálásával elpusztíthatja. Az atommag elpusztításához nagyobb energiájú részecskére van szükség, mint egy kozmikus sugár, egy gyorsított proton vagy egy gammasugár foton.
De nagy struktúrák, például bolygók, csillagok vagy akár galaxisok esetében az őket tartó gravitációs erők hatalmasak. Általános szabály, hogy egy ilyen megaszerkezet felszakadásához vagy termonukleáris reakcióra, vagy kívülről hihetetlenül erős gravitációs hatásra van szükség - például elhaladó csillagból, fekete lyukból vagy galaxisból.
A fekete lyukak esetében azonban ez nem így van. A fekete lyuk tömege ahelyett, hogy elosztaná a köteten, szingularitásba csökken. Nem forgó fekete lyukban ez egy pont, nulla dimenzióval. A forgó fekete lyuk nem sokkal jobb: egy végtelenül vékony, egydimenziós gyűrű.
Promóciós videó:
Ezenkívül a fekete lyuk összes tömeg-energiatartalma az eseményhorizonton belül van. A fekete lyukak az egyetlen tárgyak az Univerzumban, amelyek eseményhorizonnal rendelkeznek: olyan határ, amelyen túl lehetetlen visszatérni. Semmilyen gyorsulás, és ezért egyetlen erő sem képes az anyag horizontját az anyag horizontját meghaladni.
Ez azt jelentheti, hogy a minden lehetséges módon kialakult fekete lyukak csak növekedhetnek, és soha nem semmisülnek meg. És nőnek, könyörtelenül és megállás nélkül. Mindenféle jelenséget figyelünk meg az Univerzumban, például:
- kvazárok;
- blézerek;
- aktív galaktikus magok;
- mikrokvazárok;
- csillagok, amelyek nem bocsátanak ki fényt;
- Röntgen- és rádiókitörések a galaktikus központokból;
amelyek fekete lyukakhoz vezetnek minket. Tömegük meghatározásával megpróbáljuk kideríteni az eseményhorizontjuk fizikai méretét. Bármi, ami ütközik vele, keresztezi vagy akár megérinti, óhatatlanul befelé esik. És akkor az energiamegtakarításnak köszönhetően a fekete lyuk tömege is megnő.
Ez a folyamat minden általunk ismert fekete lyuknál bekövetkezik. Más csillagok anyagai, kozmikus por, csillagközi anyag, gázfelhők, még az ősrobbanásból visszamaradt sugárzás és neutrínók is mind oda kerülnek. Bármely fekete lyuknak ütköző anyag megnöveli tömegét. A fekete lyukak növekedése a fekete lyukat körülvevő anyag és energia sűrűségétől függ; a Tejútrendszerünk közepén álló szörny 3000 évenként 1 naptömeg sebességgel növekszik; a Sombrero-galaxis közepén lévő fekete lyuk 20 nap alatt 1 naptömeg sebességgel növekszik.
Minél nagyobb és nehezebb a fekete lyuk, annál gyorsabban növekszik, attól függően, hogy milyen anyaggal találkozik. Növekedési üteme idővel lassul, de mivel az univerzum csak körülbelül 13,8 milliárd éves, a fekete lyukak gyönyörűen nőnek.
Másrészt a fekete lyukak nem csak idővel nőnek; párolgásuk folyamata is van: Hawking-sugárzás. Ez annak köszönhető, hogy a tér az eseményhorizont közelében erősen görbül, de a távolsággal kiegyenesedik. Ha nagy távolságra van, akkor az eseményhorizont közelében kis mennyiségű sugárzást láthat az ívelt régióból, annak köszönhető, hogy a kvantumvákuumnak különböző tulajdonságai vannak a tér különböző ívelt területein.
A végeredmény az, hogy a fekete lyukak a fekete testből (főleg fotonok formájában) sugárzást bocsátanak ki körülöttük minden irányban, egy olyan térfogatban, amely alapvetően körülbelül tíz Schwarzschild sugarat zár be a fekete lyuk helyén. És furcsának tűnhet, de minél kisebb a fekete lyuk, annál gyorsabban párolog el.
A Hawking-sugárzás hihetetlenül lassú folyamat, amelynek során a Napunk tömegével rendelkező fekete lyuk elpárolog 10 (64 év erejéig); a Tejútrendszerünk közepén lévő lyuk - 10 (87 erejéig) év alatt, és az Univerzum legnagyobb tömegű - 10 (100 erejéig) év alatt. Egy fekete lyuk párolgási idejének egyszerű képlettel történő kiszámításához meg kell venni a Napunk időkeretét, és meg kell szorozni (a fekete lyuk tömege / a Nap tömege).
ebből következik, hogy a Föld tömegével rendelkező fekete lyuk 10 (47 erejéig) évig fog élni; fekete lyuk a gízai Nagy Piramis tömegével (6 millió tonna) - körülbelül ezer év; az Empire State Building tömegével - körülbelül egy hónap; egy hétköznapi ember tömegével - pikoszekundum. Minél kevesebb a tömeg, annál gyorsabban párolog el a fekete lyuk.
Tudomásunk szerint az univerzum elképzelhetetlenül különböző méretű fekete lyukakat tartalmazhat. Ha világos fekete lyukakkal lenne tele - akár egymilliárd tonna -, mindannyian elpárolognának mára. Nincs bizonyíték arra, hogy ezeknek a tüdőknek és a neutroncsillagok összeolvadásának folyamatában született fekete lyukaknak tömegük lenne - elméletileg tömege 2,5 napenergia. Ezen határok felett a röntgenvizsgálatok azt jelzik, hogy fekete lyukak vannak a 10-20 naptömeg tartományban; A LIGO fekete lyukat mutatott 8 és 62 naptömeg között; szupermasszív fekete lyukakat is talál az egész világegyetemben.
Ma az összes létező fekete lyuk gyorsabban nyeri az anyagot, mint amennyit a Hawking-sugárzás miatt veszít. A naptömegű fekete lyuk másodpercenként körülbelül 10 J-energiát veszít. De ha figyelembe vesszük, hogy:
- még egy CMB fotonnak is milliószor több energiája van;
- A köbcentiméternyi térből 411 ilyen foton maradt az Ősrobbanás után;
- fénysebességgel mozognak, másodpercenként 10 billiószor ütköznek minden köbcentiméterben;
még az intergalaktikus tér mélyén egy elszigetelt fekete lyuk is megvárja, amíg az univerzum 10 (20 erejéig) éretté válik - a jelenlegi korának egymilliárdszorosa -, mire a fekete lyuk növekedési üteme a Hawking-sugárzás mértéke alá esik.
De játsszunk egy játékot. Tegyük fel, hogy intergalaktikus térben él, távol a hétköznapi anyagtól és a sötét anyagtól, távol minden kozmikus sugárzástól, csillagsugárzástól és neutrínótól, és csak az ősrobbanásból származó fotonok vannak, amelyekkel cseveghet. Mekkorának kell lennie a fekete lyuknak ahhoz, hogy a párolgás sebessége (Hawking-sugárzás) és a fekete lyuk (növekedés) által a fotonok abszorpciója kiegyenlítse egymást?
A választ 10 (23-as erejéig) tartományban kapjuk meg, vagyis megközelítőleg a Merkúr bolygó tömegével. Ha a Merkúr fekete lyuk lenne, fél milliméter átmérőjű lenne, és körülbelül 100 billiószor gyorsabban sugározna, mint egy naptömegű fekete lyuk. Ezzel a tömeggel univerzumunkban a fekete lyuk annyi mikrohullámú sugárzást nyelne el, amennyit elveszített a Hawking-sugárzás során.
De ha reális fekete lyukra vágysz, nem választhatod el az univerzumban maradt anyagtól. A fekete lyukak, még akkor is, ha a galaxisokból kilökik őket, még mindig az intergalaktikus közegen repülnek át, és kozmikus sugarakkal, csillagfénnyel, neutrínókkal, sötét anyaggal és mindenféle, hatalmas és tömeg nélküli részecskékkel ütköznek. A kozmikus mikrohullámú háttér elkerülhetetlen, bárhová is megy. A fekete lyukak folyamatosan fogyasztják az anyagot és az energiát, és növekednek tömegükben és méretükben. Igen, energiát is bocsátanak ki, de ahhoz, hogy univerzumunkban minden fekete lyuk gyorsabban fogyjon, mint nő, kb. 100 milliárd évre lesz szükség.
A végső párolgás pedig még többet fog igénybe venni.
Ilya Khel