Испарение черных дыр


Согласно наиболее популярной теории эволюции Вселенной, смерть последней будет холодной. Звезды догорят, останутся лишь массивные черные дыры, но и они в конце концов испарятся. Мысль о том, что черные дыры могут рассеиваться, была высказана Стивеном Хокингом, по мнению которого при определенных условиях черные дыры излучают элементарные частицы, по большей части фотоны. Но тут может возникнуть вполне закономерные вопросы. Если черные дыры могут испаряться, означает ли это, что запертая в них материя покидает сингулярность? И вообще, что происходит при этом с самой сингулярностью?

Источник изображения: interestingengineering.com

Прежде чем давать ответ на поставленные вопросы, следует напомнить, что представляет собой черная дыра. По сути, это звезда, но такая массивная, что под действием нарастающих сил гравитации вся материя в ней устремляется к центру, образуя сингулярность — точку, в которой метрические величины стремятся к бесконечности. Обычно черные дыры образуются вследствие коллапсирования тяжелых нейтронных звезд, впрочем, черной дырой может стать любое тело, сжатое до критически малого объема. Ее гравитация настолько сильна, что оказавшаяся вблизи нее материя будет поглощена сингулярностью, причем при достижении горизонта событий частицы достигнут скорости света.

Это означает, что ни частицы материи, ни излучение, оказавшись по ту сторону горизонта событий, не смогут вернуться, ведь для этого им бы пришлось двигаться быстрее скорости света, а это невозможно.

Но если это так, каким образом черные дыры могут терять массу и испаряться?

С точки зрения Хокинга, процесс испарения черных дыр обуславливается взаимодействием виртуальных частиц, которые, оказавшись в непосредственной близости от горизонта событий не аннигилируют, а растягиваются в противоположных направлениях под действием мощной силы гравитации. При этом одна частица «улетает» в космос, а другая, имеющая отрицательную энергию, оказывается поглощена черной дырой.


Источник изображения: space.com

В результате черная дыра отдает энергию, равную той, которой обладает «отрицательная» частица. Если таких частиц окажется много, коллапсар потеряет свою энергию и в конце концов испарится. Некоторое время эта теория в ее примитивном представлении пользовалась такой популярностью, что ее приняли на веру даже некоторые физики. Результатом такого недопонимания связи частиц Хокинга с гравитацией стал вывод о невозможности существования самих черных дыр, что было проиллюстрировано на примере исследований профессора Лоры Мерсини-Хоутон из университета Северной Каролины . Но черные дыры существуют, следовательно, испарение должно объясняться иными причинами. В общем, так оно и есть.

Если в расчеты взять квантовую физику, все становится на свои места

Согласно квантовой теории, энергия неотделима от пространства, которая ему присуща по определению.
от феномен именуется квантовым вакуумом. Так вот, этот самый квантовый вакуум в искаженном пространстве черной дыры ведет себя совершенно иначе, чем в пространстве плоском. Излучение черного тела в область пространства, окружающего сферу Шварцшильда вполне реально, квантовая теория поля это вполне допускает. Чем меньше радиус горизонта событий, тем более выраженное искривление имеет пространство вокруг него, а чем сильнее оно искривлено, тем сильнее проявляет себя излучение Хокинга. Это вполне объясняет, почему небольшие черные дыры испаряются быстрее, чем массивные.

Источник изображения: reserchfeatures.com

Интересно, что черная дыра будет сохранять свои свойства до самого конца, вплоть до того момента, когда ее масса станет нулевой. По расчетам, в последнюю секунду существования черной дыры ее масса составит всего 228 тонн, а размер сферы Шварцшильда — ничтожные 340 йоктометров. Смерть черной дыры ознаменуется мощным взрывом с выбросом энергии равной той, которая была бы выделена при взрыве 5 триллионов тонн тротила. Все, что было поглощено черной дырой за время ее существования, будет «переработано» в чистую энергию и выплеснуто в окружающее пространство в виде излучения. Что после этого останется? Почти ничего, если не считать остатков уходящего излучения, остывающего в бездонной пустоте темного мертвого космоса.


Источник: zen.yandex.com

Экология познания. Наука и техника: Что случится, когда чёрная дыра потеряет достаточное количество энергии из-за излучения Хокинга, и плотности её энергии уже не будет хватать для того, чтобы поддерживать сингулярность с горизонтом событий? Иначе говоря, что произойдёт, когда чёрная дыра перестанет быть чёрной дырой из-за излучения Хокинга?

Сложно представить, учитывая разнообразие форм, принимаемых материей во Вселенной, что миллионы лет в ней существовали только нейтральные атомы водорода и гелия. Возможно, примерно так же сложно представить, что когда-нибудь, через квадриллионы лет, погаснут все звёзды. Будут существовать только останки ныне такой живой Вселенной, включая и самые впечатляющие её объекты: чёрные дыры. Но и они не вечны. Наш читатель хочет узнать, как именно это произойдёт:

Что случится, когда чёрная дыра потеряет достаточное количество энергии из-за излучения Хокинга, и плотности её энергии уже не будет хватать для того, чтобы поддерживать сингулярность с горизонтом событий? Иначе говоря, что произойдёт, когда чёрная дыра перестанет быть чёрной дырой из-за излучения Хокинга?


Чтобы ответить на этот вопрос, важно понять, что на самом деле представляет собой чёрная дыра.

Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
Анатомия очень массивной звезды в течение её жизни, достигающая кульминации в виде сверхновой типа IIa в момент, когда в ядре заканчивается ядерное горючее

Чёрные дыры в основном формируются после коллапса ядра массивной звезды, истратившей всё ядерное топливо, и переставшей синтезировать из него более тяжёлые элементы. С замедлением и прекращением синтеза ядро испытывает сильное падение давления излучения, которое только и удерживало звезду от гравитационного коллапса. В то время, как внешние слои часто испытывают выходящую из-под контроля реакцию синтеза, и взрывают исходную звезду до сверхновой, ядро сначала сжимается до нейтронной звезды, но если его масса оказывается слишком большой, то даже нейтроны сжимаются и переходят в плотное состояние, из которого возникает чёрная дыра. ЧД также может возникнуть, когда нейтронная звезда в процессе аккреции заберёт достаточно массы у звезды-компаньона, и перейдёт рубеж, необходимый для превращения в ЧД.


Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
Когда нейтронная звезда набирает достаточно материи, она может схлопнуться в чёрную дыру. Когда ЧД набирает материю, у неё растёт аккреционный диск и масса, поскольку материя падает за горизонт событий

С точки зрения гравитации всё, что нужно, чтобы стать ЧД — это собрать достаточно массы в достаточно малом объёме, так, чтобы свет не смог убежать из определённого участка. У каждой массы, включая планету Земля, есть своя скорость убегания: скорость, которой требуется достичь, чтобы убежать от гравитационного притяжения на определённом расстоянии (к примеру, на расстоянии от центра Земли до её поверхности) от центра масс. Но если набрать достаточно массы для того, чтобы скорость, которую вам нужно было бы набрать на определённом расстоянии от центра масс, равнялась бы световой — тогда уже ничто не сможет убежать от неё, поскольку ничто не может обогнать свет.

Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
Масса чёрной дыры — единственный фактор, определяющий радиус горизонта событий для невращающейся изолированной ЧД


Это расстояние от центра масс, на котором скорость убегания равняется скорости света — назовём его R — определяет размер горизонта событий чёрной дыры. Но то, что при таких условиях внутри находится материя, приводит к менее известным последствиям: вся она должна схлопнуться до сингулярности. Можно представить, будто существует такое состояние материи, которое позволяет ей оставаться стабильной и иметь конечный объём внутри горизонта событий — но это физически невозможно.

Чтобы оказывать воздействие, направленное наружу, находящаяся внутри частица должна отправить частицу, переносящую взаимодействие, в сторону от центра масс к горизонту событий. Но эта переносящая взаимодействие частица также ограничена скоростью света, и, неважно, в каком месте внутри горизонта событий вы находитесь, все мировые линии заканчиваются в его центре. Для более медленных и массивных частиц всё ещё хуже. Как только появляется ЧД с горизонтом событий, вся материя внутри неё сжимается в сингулярность.

Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
Внешнее пространство-время шварцшильдовской ЧД, известное, как параболоид Флэмма, легко подсчитать. Но внутри горизонта событий все геодезические линии ведут к центральной сингулярности.


И, поскольку ничто не может убежать, можно было бы решить, что ЧД вечна. И если бы не квантовая физика, это было бы именно так. Но в квантовой физике существует ненулевое количество энергии, присущее самому пространству: квантовый вакуум. В искривлённом пространстве квантовый вакуум приобретает немного иные свойства, чем в плоском, и нет регионов, где кривизна была бы выше, чем в окрестностях сингулярности чёрной дыры. Если сопоставить два этих закона природы — квантовую физику и пространство-время из ОТО вокруг ЧД — мы получим такое явление, как излучение Хокинга.

Если вы проведёте вычисления согласно квантовой теории поля в искривлённом пространстве, то получите удивительный ответ: из пространства, окружающего горизонт событий чёрной дыры испускается тепловое излучение чёрного тела. И чем меньше горизонт событий, тем сильнее кривизна пространства рядом с ним, и тем выше скорость излучения Хокинга. Если бы наше Солнце было чёрной дырой, его температура излучения Хокинга равнялась бы 62 нК. Если взять ЧД в центре нашей Галактики, масса которой в 4 000 000 раз больше, то тем температура будет уже 15 фК, всего 0,000025% от первой.

Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
Композитное изображение из рентгеновского и инфракрасного диапазона, на котором видна ЧД в центре нашей Галактики: Стрелец A*.
масса в 4 млн раз превышает солнечную, и она окружена горячим газом, испускающим рентгеновские лучи. А ещё она испускает излучение Хокинга (которое мы не в силах обнаружить), но при гораздо меньшей температуре.

Это значит, что мелкие ЧД испаряются быстрее, а крупные живут дольше. Расчёты говорят, что ЧД солнечной массы будет существовать 1067 лет до того, как испарится, ну а ЧД в центре нашей галактики будет жить ещё в 1020 раз больше перед испарением. Но самое безумное во всём этом — то, что до самой последней доли самой последней секунды у ЧД будет сохраняться горизонт событий, вплоть до момента, когда её масса станет нулевой.

Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
Излучение Хокинга неизбежно следует из предсказаний квантовой физики в искривлённом пространстве-времени, окружающем горизонт событий ЧД


Но последняя секунда жизни ЧД будет охарактеризована особенным, и очень крупным выбросом энергии. Одна секунда ей останется, когда её масса упадёт до 228 тонн. Размер горизонта событий в этот момент будет составлять 340 им, то есть 3,4 × 10-22: это длина волны фотона с энергией, превышающей всё, что удавалось пока получать на Большом адронном коллайдере. Но в эту последнюю секунду будет выпущено 2.05 × 1022 Дж энергии, что эквивалентно 5 млн мегатонн ТНТ. Будто миллион ядерных бомб взрываются одновременно в небольшом участке пространства — такова последняя стадия излучения чёрной дыры.

Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
В процессе того, как чёрная дыра усыхает в массе и радиусе, её излучение Хокинга становится всё больше по температуре и мощности

А что же останется? Только исходящее излучение. Там, где до этого в пространстве существовала сингулярность, в которой масса, а также, возможно, заряд и угловой момент существовали в бесконечно малом объёме, теперь ничего нет. Пространство восстановлено до предыдущего, несингулярного состояния, после промежутка, казавшегося бесконечностью: такого времени достаточно, чтобы во Вселенной произошло всё то, что произошло в ней с самого начала, триллионы триллионов раз. Когда это впервые случится, во Вселенной уже не будет никаких звёзд или источников света, и не будет никого, кто мог бы присутствовать при этом потрясающем взрыве. Но никакого «предела» для этого не существует. ЧД должна испариться полностью. А после этого, насколько нам известно, не останется ничего, кроме исходящего излучения.

Что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?
На кажущемся вечным фоне постоянной тьмы появится единственная вспышка света: испарение последней чёрной дыры во Вселенной

Иначе говоря, если бы вам удалось наблюдать испарение последней ЧД во Вселенной, вы бы видели пустое пространство, в котором нет никаких признаков активности уже 10100 лет, или более. И внезапно появится невероятная вспышка излучения определённого спектра и мощности, убегающего от одной точки в пространстве со скоростью в 300 000 км/с. И это будет последний раз в наблюдаемой Вселенной, когда какое-то событие омоет её излучением. Перед испарением последней ЧД, говоря поэтическим языком, Вселенная в последний раз скажет: «Да будет свет!». опубликовано econet.ru 

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Источник: econet.ru

Что такое излучение Хокинга? (Объясняется простыми словами)

Принимая во внимание квантовую теорию поля, Стивен Хокинг показал, что черные дыры испускают излучение, известное как излучение Хокинга, вблизи своего горизонта событий.

С точки зрения непрофессионалов, излучение Хокинга — это тепловое излучение, которое спонтанно испускается черными дырами. Оно постепенно уменьшает энергию вращения и массу черных дыр. Таким образом, неактивные черные дыры (не потребляющие вещества), как ожидается, уменьшатся и в конце концов исчезнут. Этот процесс также называется испарением чёрных дыр.

Излучение Хокинга было спорным открытием, но к концу 1970-х годов оно было широко признано как крупный прорыв в теоретической физике.

Небольшое отступление

В начале 1970-х годов исследования, проведенные Джеймсом Бардином, Стивеном Хокингом и другими физиками, привели к формулировке термодинамики черной дыры, в которой можно исследовать поведение черной дыры, связывая площадь с энтропией, массу с энергией и поверхностную гравитацию с температурой.

Хокинг, используя много математики, объединил идеи как из теории относительности Эйнштейна, так и из квантовой механики. В то время как теория относительности описывает гравитацию в областях большого масштаба и большой массы (галактики, звезды), квантовая механика фокусируется на невесомости в областях малого масштаба и малой массы (молекулы, атомы).

Ученые десятилетиями пытались объединить эти две основные теории: они пытались разработать теорию всего, что могло бы полностью объяснить и связать воедино все физические аспекты вселенной.

Оказывается, обе теории вступают в игру на горизонте событий «черной дыры» — границе, за которой ничто не может уйти (даже свет).

Стивен Хокинг использовал квантовую теорию поля, чтобы показать, что черные дыры должны излучать как черное тело. И подобно многим другим объектам в нашей Вселенной, черные дыры сжимаются и умирают. Его расчеты показали, что как вращающиеся, так и невращающиеся черные дыры испускают излучение. Он даже превратил свои находки в небольшой совет:

«Если ты чувствуешь, что находишься в черной дыре, не сдавайся. Здесь есть выход».- Стивен Хокинг на публичной лекции в Стокгольме, Швеция.

Как работает излучение Хокинга?

Согласно квантово-механической теории, частицы и их аналоги (античастицы) постоянно появляются и исчезают во всей Вселенной.

Эти пары частица-античастица также создаются рядом с горизонтом событий черной дыры, и они быстро уничтожают друг друга. Однако одна частица может упасть в черную дыру до того, как может произойти ее уничтожение, и в этом случае другая частица (ее аналог) ускользнет под действием излучения Хокинга.

Испарение черных дыр
Излучение Хокинга как пар частиц генерируется вблизи черной дыры

Это означает, что излучение Хокинга не исходит непосредственно от самой черной дыры, а является результатом того, что виртуальные частицы «поднимаются» под действием интенсивного гравитационного притяжения черной дыры, превращаясь в настоящие частицы.

Частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию, в то время как ее двойник должен был иметь положительную энергию (по отношению к внешнему наблюдателю). Таким образом, получается, что черная дыра только что выпустила частицу, потеряв свою массу.

Испарение черных дыр
Энергия извне горизонта событий производит излучение, что означает, что черная дыра должна терять массу, чтобы компенсировать

Это явление также можно рассматривать как эффект квантового туннелирования, в котором пара (частицы и античастица) образуется из вакуума и одного из парных туннелей за пределами горизонта событий.

Информационный парадокс черной дыры

Основное различие между тепловым излучением, испускаемым черным телом, и излучением черной дыры (по оценке Хокинга) заключается в том, что первое является статистическим по своей природе.

Тепловое излучение несет информацию о теле своего источника, тогда как излучение Хокинга, по-видимому, не несет такой информации: оно зависит исключительно от массы, заряда и углового момента черной дыры.

Так что же происходит с веществом, поглощенным черными дырами? Согласно нашему пониманию общей теории относительности, информация уничтожается. Но если бы это было так, то это нарушило бы законы квантовой механики.

Эта головоломка называется информационным парадоксом черной дыры.

В 2015 году Стивен Хокинг представил идею о том, как этот парадокс может быть решен. Он предположил, что информация на самом деле хранится не внутри черной дыры, а на ее границе – горизонте событий.

Информация хранится в виде суперпереводов, голограммы входящих частиц. Это выпущено в квантовых колебаниях, которые создают черные дыры, хотя в бесполезной, хаотической форме.

Излучение Хокинга — медленный процесс

Температура излучения Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры. Поэтому более мелкие черные дыры испускают больше излучения и рассеиваются быстрее, чем более крупные.

Расчеты показывают, что для испарения черной дыры с одной массой Солнца потребуется 10 67 лет; сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути потребует 10 87 лет, а еще более массивные во Вселенной могут занять 10 100 лет.

Экспериментальные наблюдения

В 2008 году НАСА запустило космическую обсерваторию под названием Fermi Gamma-ray Space Telescope, которая в настоящее время ищет испаряющиеся первичные микро-черные дыры из их предполагаемого излучения Хокинга.

Ученые считают, что микро-черные дыры могут быть экспериментально созданы в искусственной среде на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. В случае успеха они могут наблюдать испарение черной дыры, а также подтвердить некоторые теоретические предсказания теории суперструн относительно гравитации.

Источник: new-science.ru

Физик-экспериментатор Джефф Штайнхауэр из Техниона (Израиль) создал квантовый аналог черной дыры, наблюдал ее испарение (эффект Хокинга) и впервые обнаружил квантовую запутанность между парой частиц, одна из которых упала на модельный объект, а другая удалилась от него. Результаты исследований, встреченные коллегами ученого с большим энтузиазмом, опубликованы в журнале Nature Physics.

Черные дыры представляют собой массивные объекты, ограниченные так называемым горизонтом событий. Любое тело, достигшее черной дыры, согласно общей теории относительности, падает в гравитационный объект и не в состоянии его покинуть. Таким образом, масса черной дыры при классическом описании не может убывать. Ситуация меняется в квантовом случае, где гравитационный объект может испариться в результате эффекта, получившего название в честь его первооткрывателя Стивена Хокинга.

Явление сводится к образованию на горизонте событий пары виртуальных частиц. Частица с положительной энергией становится реальной и улетает от черной дыры, а другая, с отрицательной энергией, падает в нее и тем самым уменьшает ее массу. Явление, описанное в 1974 году британским ученым, предполагает существование теплового излучения. В статье ученого приводилось выражение для его температуры, которая оказалась чрезвычайно мала. Например, для черной дыры солнечной массы она имеет порядок одной миллионной кельвина. Отличить столь малую температуру от шума в астрономических наблюдениях современными методами невозможно.

В 1981 году канадский физик-теоретик Билл Унру предложил гидродинамическую аналогию черной дыры, которая и была реализована в экспериментах Штайнхауэра. Ситуация, аналогичная происходящему на горизонте событий реального гравитационного объекта, моделировалась при помощи сазера (акустического лазера), который создавал звуковые волны специального вида в бозе-эйнштейновском конденсате — состояние вещества из бозонов, находящихся при температуре, близкой к абсолютному нулю. В этой фазе квантовые эффекты, имеющие место на микроскопическом уровне, начинают проявляться на макроскопическом: приближенно все вещество конденсата ведет себя как одна макроскопическая квантовая частица.

Конденсат состоял из десятков тысяч атомов рубидия-87, сформированных в облако цилиндрической формы длиной несколько миллиметров. Температура такой среды — меньше одного кельвина, а скорость звука в ней — порядка полумиллиметра в секунду. Единственными возмущениями в системе являются квантовые флуктуации. Описание среды проводится гидродинамическими методами. Это допускает введение понятия фононов — квазичастиц (фиктивных частиц), описывающих звуковые колебания. Именно их виртуальное рождение вблизи аналога горизонта событий и квантовую запутанность удалось наблюдать Штайнхауэру.

Для этого в бозе-эйнштейновском конденсате была создана потенциальная яма. При ее прохождении частицы разгонялись до сверхзвуковых скоростей. Часть конденсата, частицы которого двигались со сверхзвуковой скоростью, представляли собой аналог черной дыры, а его область, где частицы перемещались точно со скоростью звука, — модельный горизонт событий. Именно на нем в результате квантовых флуктуаций происходило рождение пар фононов, квазичастицы из которых разлетались в противоположные стороны с дозвуковой и сверхзвуковой скоростями. Аналогичная ситуация должна наблюдаться и в случае с реальной черной дырой.

Штайнхауэру удалось измерить температуру такого излучения и установить корреляцию между разлетевшимися частицами. В квантовой механике запутанностью называется явление, при котором состояния частиц (например, спин или поляризация), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Корреляция проявляла себя как одинаковая плотность конденсата на противоположных, но равных расстояниях от модельного горизонта событий. Данный факт ученый фактически интерпретировал как первое экспериментальное доказательство существования квантовой запутанности между парами частиц, рожденными на горизонте событий черной дыры.

Последний эксперимент Штайнхауэра проводился 4,6 тысяч раз в течение шести суток. Все работы 50-летний ученый, выпускник Калифорнийского университета в Беркли (США), проводил в возглавляемой им лаборатории, где он с 2013 года является единственным сотрудником. Коллеги избегают сотрудничества с Штайнхауэром из-за его педантизма и высокой требовательности. Ранее ученый в 2009 году создал гидродинамический аналог черной дыры, а в 2014 году имитировал излучение Хокинга.

Штайнхауэр полагает, что его модель поможет разрешить парадокс исчезновения информации в черных дырах и укажет на пути объединения квантовой механики и общей теории относительности. Оптимизм экспериментатора разделяют не все теоретики. Например, Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (США), занимавшийся теорией струн, отмечает, что потери информации в модельной черной дыре нет, и потому она непригодна для разрешения парадокса реального объекта.

Израильский коллега Штайнхауэра, физик Ульф Леонхардт отметил, что квантовую запутанность в экспериментах с гидродинамической черной дырой удалось обнаружить лишь для высокоэнергетических фотонов. Для квазичастиц низких энергий корреляции в модельном случае слабы. Последнее обстоятельство, скорее всего, несправедливо для реальных черных дыр, где квантовая запутанность имеет место для фотонов любых энергий.

Источник: lenta.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.