Спросите Итана: что происходит с сингулярностью при испарении чёрной дыры?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/05/20/ask-ethan-what-happens-when-a-black-holes-singularity-evaporates/
  • Перевод

Горизонт событий чёрной дыры — сферический, или сфероидальный участок, из которого ничего, даже свет, убежать не может. Но есть предсказание, что вне горизонта событий чёрная дыра испускает излучение.

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.


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.


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.


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.


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.


Визуализация квантовой хромодинамики демонстрирует, как пары частица/античастица возникают из квантового вакуума на очень малые промежутки времени в качестве последствий принципа неопределённости Гейзенберга

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.


Композитное изображение из рентгеновского и инфракрасного диапазона, на котором видна ЧД в центре нашей Галактики: Стрелец A*. Её 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.


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.


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.


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!»

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 31
  • 0
    Сколько ангелов поместится на кончике иглы мегатонн тротила в сингулярности перед последним чпоком?
    • 0

      Получается черная дыра не отдаст материю? ЧД иcпарится превратив материю в энергию?

      • 0
        «Вся превратится в энергию»
        — Нарушается закон сохранения барионного заряда. Впрочем видимо никого это не волнует. Можно делать любые утверждения — все равно никто не дождётся. 10^67 лет -это ещё не скоро
        • 0
          Излучение Хокинга не ограничивается одними фотонами, излучаются абсолютно все частицы. Просто излучение массивных частиц при низких температурах сильно подавлено. Однако, начиная с определенной температуры полетят нейтрино, потом электроны, потом более тяжелые частицы, в том числе барионы, а также разная темная материя и другая экзотика.
          • 0
            Возможно. Однако этот процесс может начаться только когда масса ЧД будет достаточно мала. Что возвращает нас к исходному утверждению о несохранении барионного числа
            • 0
              Только вот с чего количество вылетевших электронов не будет равно количеству позитронов?
          • 0
            дык, этож одно и то же
          • 0
            У каждой массы, включая планету Земля

            Самое забавное что черную дыру можно сделать и из фотонов.
            Нужно всего-то запихать их огромное количество в точку.
            Вот интересно а с какой скоростью растет «мощность» черной дыры?
            И есть ли предел падения массы черной дыры после которого он не обратим?
            Т.е. черная дыра просто не будет успевать поглощать материю?
            А так был бы отличный конвектор массы-энергия. Главное не забывать кормить ) А то все увидят что забыл ).
            И отличное оружие из мини черных дыр будет )
            • 0
              Если фотоны действительно с нулевой массой то нет,
              • 0
                У фотонов «нулевая масса покоя». Все три слова вместе. Кто сказал что внутри чёрной дыры они будут покоится? Обычно при остановке фотона об стену, стена греется…
                • 0
                  Фотоны пролетая мимо массивного тела меняют направление полёта.
                  Значит и тело получает импульс в направлении их пролёта.
                • 0
                  разве у фотонов появилась масса?
              • 0
                Но в эту последнюю секунду будет выпущено 2.05 × 1022 Дж энергии, что эквивалентно 5 млн мегатонн ТНТ.


                А при таком пике выброса и при таком давлении излучения в таком изначально малом объёме, неужели никаких реакций слияния не начнётся?
                • 0
                  Сверхновая 10^44. Не супер много короче, чтото может возникуть, как и при любой плотности.
                  • 0
                    В сверхновой объем значительно больше, поэтому при взрыве черной дыры, предположительно, могут быть синтезированы куда более тяжелые ядра
                    • 0
                      Ну так и 20 порядков мощности ж разницы.
                • 0
                  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.
                  А разве зафиксирован хоть один коллапс нейтронной звезды?
                  И на сколько мне известно, не обнаружено чёрных дыр с плотностью большей чем у нейтронной звезды.
                  • 0

                    Для коллапса одних звёзд стадия нейтронной звезды — конечная остановка. А для более массивных звёзд конечной остановкой коллапса является сингулярность, около нейтронной стадии коллапс не задерживается. Плотность ЧД — это ведь объём сферы Шварцшильда, делённый на массу сингулярности в её центре, верно? Плотность самой сингулярности — это, видимо, плотность кварков или даже фотонов. Последние могут сохранить в ней свою световую скорость, образуя вращающийся тор.

                    • 0
                      Скорей наоборот — для более массивных звёзд вещество уходит под сферу Шварцшильда даже не достигнув плотности НЗ.
                      И что там с ним происходит — неизвестно.
                      Вполне может быть что и ничего, по крайней мере для лёгких ЧД — так и остаются шаром из нейтронов…
                      • +1
                        Про геометрические формы имеет смысл говорить, если у вас сохраняется пространство для соотнесения. Внутри черной дыры же проблема с определением пространства, поэтому тор, шар — все это немного некорректно.
                  • 0
                    Интересно, получается черные дыры это такие аккумуляторы и можно представить, что высокоразвитые цивилизации к моменту угасания Вселенной будут собираться вокруг ЧД (или собирать их в одной точки космоса) и «греться» их энергией. Интересный фант.рассказ мог бы получится.
                    • 0
                      Любая статья про ТО и квантмех неизбежно становится местом для вопросов не по теме статьи неразбирающихся в теме людей. Не буду нарушать традицию :)

                      Невозможно выйти из-за горизонта событий доказана, верно ведь? А может кто-нибудь на пальцах пояснить, почему это невозможно?
                      Ну, допустим, у нас есть частица за горизонтом событий и возможность воздействовать на неё с любой силой. Притяжение ЧД конечно ведь, нет?

                      Ну и вопрос по теме: получается, «падая в чёрную дыру, вы увидите смерть Вселенной, пока вас не разорвёт или не убьёт чем-нибудь ещё» — не совсем правда?
                      • +1
                        Просто гравитация ЧД такова, что первая космическая для нее превышает скорость света. Или, если угодно, сама ткань пространства непрерывно вливается в «дыру» со скоростью больше световой. Т.е. даже если «грести» со скоростью света, поток все равно снесет тебя в слив.

                        Ощущения от падения в ЧД сильно зависят от ее массы. Плотность очень массивных дыр меньше плотности воздуха, и падая в такую ЧД пересечение горизонта событий будет вообще незаметным. Но приближение к сингулярности в конце концов разорвет падающее тело приливными силами на мельчайшие частицы (вероятно, глюоны). И все это произойдет достаточно быстро. Это только для внешнего наблюдателя падающее тело никогда не пересечет горизонт событий.
                        • 0
                          Постоянно в обсуждениях ЧД пишут про первую космическую скорость, превышающую скорость света, но мало кто видит, что это объяснение совершенно ничего не объясняет. Первая космическая скорость актуальна лишь для пассивных тел, а в общем случае она не является необходимым условием ухода от тяготеющего тела. Ракета может удаляться от Земли сколь угодно медленно (в том числе, медленнее первой космической) и улететь при этом сколь угодно далеко, лишь бы топлива хватило.

                          С чёрной дырой не так: никакая ракета ни с каким двигателем не сможет уйти из-под горизонта. Простого наглядного объяснения, увы, мне не попадалось. Обычно ссылаются на то, что все мировые линии завёрнуты внутрь, но это довольно сложно представить. Условно говоря, изнутри ЧД её горизонт будет недосягаемым. Примерно, как недосягаема бесконечность.
                          • 0
                            Я понял ваш вопрос. В данном случае больше уместна аналогия с вытекающим в дыру потоком воды. Скорость потока больше световой, а значит двигаться против течения невозможно.
                        • 0
                          Технически — не доказана, а принята на веру. Невозможность превышения скорости света постулирована Эйнштейном — т. е. он просто предложил в это верить. С другой стороны, опровергнуть это пока никто не смог.
                          Для вращающихся черных дыр — а они примерно все с той или иной скоростью вращаются — все намного сложнее.
                          Во-первых, у очень быстро вращающихся чд центробежные силы забарывают гравитацию, горизонт событий не возникает, из них можно свалить или хотя бы наблюдать голую сингулярность. И мы знаем как минимум 1 кандидат в такие объекты (со скоростью вращения на грани).
                          Во-вторых, сингулярность вращающихся чд — это не точка, а кольцо. Оказавшись внутри такой чд, можно не падать в сингулярность, а раз за разом проходить в центре кольца. Это будет замкнутая времениподобная траектория (день сурка), и в таком состоянии можно прождать гугол лет до испарения чд.
                          В третьих, ОТО Эйнштейна — лишь самая простая из возможных теорий. Следующая по списку — ОТО Эйнштейна-Картана, в ней на 6 уравнений больше. Зато нет сингулярностей внутри чд, и если верна она, то см выше про гугол лет
                        • 0
                          Вот не могу понять — ну хорошо, излучение Хокинга в принципе понятно — но притягивает/пылесосит ЧД вокруг себя гораздо больше материи, разве нет?
                          • 0
                            Эта материя рано или поздно кончится. И тогда испарение дыры будет обгонять её рост.
                          • 0
                            Последние моменты ЧД чем-то напоминают Большой взрыв если не принимать во внимание пространство… может так оно и есть, только мы об этом пока не знаем?

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое