Има няколко начина за създаване на черна дупка, от колапса на ядрото на свръхнова до сливането на неутронни звезди с колапса на огромно количество материя. Ако вземем долната граница, черните дупки могат да имат 2,5 - 3 слънчеви маси, но на горната граница свръхмасивните черни дупки могат да надхвърлят 10 милиарда слънчеви маси. Те обикновено се намират в центровете на галактиките. Колко стабилни са те? Коя черна дупка ще изсъхне първо: голяма и ненаситна или малка?
Има ли критичен размер за стабилността на черна дупка? Черна дупка с тегло 1012 килограма може да бъде стабилна в продължение на няколко милиарда години. Но черна дупка в диапазона на маса 105 може да експлодира за секунда и определено няма да бъде стабилна. Къде е златната среда, при която притокът на материя ще бъде равен на радиацията на Хокинг?
Стабилност на черните дупки
Първото нещо, с което трябва да започнете, е стабилността на самата черна дупка. Всеки друг обект във Вселената, астрофизичен или по друг начин, има сили, които го държат заедно срещу Вселената, която се опитва да го разкъса. Водородният атом е силна структура; един ултравиолетов фотон може да го унищожи чрез йонизиране на електрон. За да унищожите атомно ядро, имате нужда от частица с по-висока енергия като космически лъч, ускорен протон или фотон с гама лъчи.
Но за големи структури като планети, звезди или дори галактики гравитационните сили, които ги задържат, са огромни. Като правило, за да се разруши такава мегаструктура, е необходима или термоядрена реакция, или невероятно силно влияние на гравитацията отвън - например от преминаваща звезда, черна дупка или галактика.
В случая с черните дупки обаче това не е така. Масата на черната дупка, вместо да бъде разпределена върху обема, се свива в сингулярност. В невъртяща се черна дупка това е една точка с нулево измерение. Въртящата се черна дупка не е много по-добра: безкрайно тънък, едноизмерен пръстен.
Промоционално видео:
Освен това цялото съдържание на масова енергия в черна дупка е в хоризонта на събитията. Черните дупки са единствените обекти във Вселената, които имат хоризонт на събитията: граница, отвъд която е невъзможно да се върне. Никое ускорение и следователно никаква сила няма да може да издърпа материята, масата или енергията от хоризонта на събитията извън нейните граници.
Това може да означава, че черните дупки, образувани по всякакъв възможен начин, могат само да растат и никога няма да бъдат унищожени. И те растат, безмилостно и безспирно. Наблюдаваме всякакви явления във Вселената, като:
- квазари;
- блазари;
- активни галактически ядра;
- микроквазари;
- звезди, които не излъчват никаква светлина;
- Рентгенови и радио изблици от галактически центрове;
които ни водят до черни дупки. Определяйки масите им, ние се опитваме да открием физическите измерения на хоризонтите на техните събития. Всичко, което се сблъска с него, пресече го или дори го докосне, неизбежно ще падне навътре. И тогава, благодарение на запазването на енергията, масата на черната дупка също ще се увеличи.
Този процес се случва с всяка известна ни черна дупка. Там се изпращат материали от други звезди, космически прах, междузвездна материя, газови облаци, дори радиация и неутрино, останали от Големия взрив. Всяка материя, която се сблъска с черна дупка, увеличава своята маса. Растежът на черните дупки зависи от плътността на материята и енергията около черната дупка; чудовището в центъра на нашия Млечен път расте със скорост от 1 слънчева маса на всеки 3000 години; черната дупка в центъра на галактиката Сомбреро нараства със скорост 1 слънчева маса за 20 години.
Колкото по-голяма и по-тежка е вашата черна дупка, средно, толкова по-бързо расте, в зависимост от материала, който среща. Темпът на растеж се забавя с времето, но тъй като Вселената е само на около 13,8 милиарда години, черните дупки растат прекрасно.
От друга страна, черните дупки не просто растат с течение на времето; има и процес на тяхното изпаряване: радиация на Хокинг. Това се дължи на факта, че пространството е силно извито близо до хоризонта на събитията, но се изправя с разстояние. Ако сте на голямо разстояние, можете да видите малко количество лъчение, излъчено от извитата област близо до хоризонта на събитията, поради факта, че квантовият вакуум има различни свойства в различни извити области на пространството.
Крайният резултат е, че черните дупки излъчват топлинна радиация от черно тяло (най-вече под формата на фотони) във всички посоки около тях, в обем пространство, което в основата си затваря около десет радиуса на Шварцшилд в местоположението на черната дупка. И може да изглежда странно, но колкото по-малка е черната дупка, толкова по-бързо се изпарява.
Хокинг радиацията е невероятно бавен процес, при който черна дупка с масата на нашето Слънце ще се изпари след 10 (до мощността на 64) години; дупката в центъра на нашия Млечен път - за 10 (до степента на 87) години, а най-масивната във Вселената - за 10 (до степента от 100) години. За да изчислите времето на изпаряване на черна дупка с проста формула, трябва да вземете времевата рамка на нашето Слънце и да го умножите по (маса на черната дупка / маса на Слънцето).
от което следва, че черна дупка с масата на Земята ще живее 10 (до степен 47) години; черна дупка с масата на Голямата пирамида в Гиза (6 милиона тона) - около хиляда години; с масата на Емпайър Стейт Билдинг - около месец; с масата на обикновен човек - пикосекунда. Колкото по-малко маса, толкова по-бързо се изпарява черната дупка.
Доколкото знаем, Вселената може да съдържа черни дупки с невъобразимо различни размери. Ако беше изпълнен със светли черни дупки - до милиард тона - всички те щяха да се изпарят до днес. Няма доказателства, че има черни дупки с маса между тези бели дробове и тези, които са родени в процеса на сливане на неутронни звезди - на теория те имат маса 2,5 слънчеви. Над тези граници рентгеновите изследвания показват съществуването на черни дупки в диапазона от 10-20 слънчеви маси; LIGO показа черна дупка между 8 и 62 слънчеви маси; открийте и свръхмасивни черни дупки из цялата Вселена.
Днес всички съществуващи черни дупки придобиват материя по-бързо, отколкото губят поради радиацията на Хокинг. Черна дупка със слънчева маса губи около 10 (до -28 мощност) J енергия всяка секунда. Но ако помислите за това:
- дори един CMB фотон има милион пъти повече енергия;
- 411 от тези фотони на кубичен сантиметър пространство останаха след Големия взрив;
- те се движат със скоростта на светлината, сблъсквайки се 10 трилиона пъти в секунда на всеки кубичен сантиметър;
дори изолирана черна дупка дълбоко в междугалактическото пространство ще изчака, докато Вселената е узряла до 10 (до степен 20) години - милиард пъти по-голяма от сегашната й възраст - преди темпът на растеж на черната дупка да падне под скоростта на радиацията на Хокинг.
Но нека играем игра. Да предположим, че живеете в междугалактическо пространство, далеч от обикновената материя и тъмната материя, далеч от всички космически лъчи, звездно излъчване и неутрино и имате само фотони от Големия взрив, с които да разговаряте. Колко голяма трябва да бъде вашата черна дупка, за да се балансират скоростта на изпаряване (радиация на Хокинг) и поглъщането на фотони от вашата черна дупка (растеж)?
Отговорът се получава в областта от 10 (до мощността на 23) кг, т.е. приблизително с масата на планетата Меркурий. Ако Меркурий беше черна дупка, той щеше да бъде с диаметър половин милиметър и да излъчва около 100 трилиона пъти по-бързо от черната дупка със слънчева маса. С тази маса във нашата Вселена черна дупка би поела толкова микровълнова радиация, колкото загуби в процеса на радиация на Хокинг.
Но ако искате реалистична черна дупка, не можете да я изолирате от останалата материя във Вселената. Черните дупки, дори когато се изхвърлят от галактиките, все още летят през междугалактическата среда, сблъсквайки се с космически лъчи, звездна светлина, неутрино, тъмна материя и всякакви частици, масивни и безмасови. Космическият микровълнов фон е неизбежен, където и да отидете. Черните дупки непрекъснато абсорбират материята и енергията и растат в маса и размери. Да, те също излъчват енергия, но за да започнат да се изчерпват всички черни дупки в нашата Вселена по-бързо, отколкото растат, ще са необходими около 100 квинтилиона години.
А окончателното изпаряване ще отнеме още повече.
Иля Хел