Bir kara deliğin buharlaşması ne kadar sürer?
Bir kara deliğe düştüğünüzde veya olay ufkuna çok yaklaştığınızda, boyutu ve ölçeği gerçekte olduğundan çok daha büyük görünür. Sizi gözlemleyen harici bir gözlemci için bilgileriniz olay ufkunda kodlanacaktır. Kara delik buharlaşırken, bu bilgiye ne olacağına dair bir cevap yok.
Evrendeki hiçbir şey ebedi değildir. Oluşacak tüm yıldızlar bir gün yanacak, uzak galaksiler ve galaksi kümeleri karanlık enerji tarafından parçalanacak, galaksilerdeki yıldızlar bile yeterince uzun oldukları sürece yerçekimi tarafından fırlatılacaktır. Ancak, galaksinin merkezinde, evrendeki en büyük tek nesne bugün bile oluşmaya ve büyümeye devam ediyor - süper kütleli kara delikler. En büyük yıldızlar, olay ufku ile çevrili bir tekillik içinde on milyarlarca güneş kütlesi içerir, bu da onları bildiğimiz en büyük bireysel varlıklar yapar. Ama onlar bile sonsuza kadar yaşamayacak.
Stephen Hawking'in 1974'te keşfettiği gibi, kara delik sonunda buharlaştı. Bu nasıl bir hikaye?
Yaklaşık 10 ^ 67-10 ^ 100 yıl sonra, Hawking radyasyonu nedeniyle, karadeliğin kalitesine bağlı olarak evrendeki tüm kara delikler tamamen buharlaşacaktır.
Dikkate almanız gereken ilk şey, gerçekte beyaz boşluk nedir. Hayal edebileceğiniz boş alanı hayal edin, neyi kaldırırdınız?
İlk önce tüm parçacıkları çıkarabilirsin. Herhangi bir madde, antimadde, foton, radyasyon veya hayal edebileceğiniz herhangi bir şey yok olmalıdır. Alanınızda kuantuma ihtiyacınız yok, aksi takdirde boş olmayacak.
Ayrıca boş alanınızı dışarıdaki her şeyden korumalısınız. Hiçbir elektrik, manyetik veya nükleer manyetik alanın (veya nükleer kuvvetin) içine girmesine izin verilmemelidir.
Evrendeki diğer şeylerin çekim etkisi bile ortadan kaldırılmalıdır. Bu, herhangi bir ve tüm kütlelerin ve her türlü enerjinin neden olduğu uzay eğriliğini ve ayrıca işgal ettiğiniz boşluktan geçebilecek herhangi bir yerçekimi dalgasını içerir.
Uzay ve zamandaki dalgalanmalar, her yöne ışık hızında hareket eden yerçekimsel dalgalardır. Gerçekte "boş" olarak kabul edilen şeyi elde etmek için, yerçekimi etkisi uzaysal bir bölgeden elimine edilmelidir.
Fiziksel gerçekliğimizde bunu gerçekten yapamayız ama teorik fizikte bunu hayal edebiliriz. Hiçbir şey olmayan veya etkilemeyen bir uzay alanı hayal edin. Kurtulamayacağınız tek şey, zaman ve mekanın kendisi ve evreni yöneten fizik yasalarıdır.
Bununla birlikte, kendimizi bu tür bir boşlukla sınırlasak bile, boş uzayın kendisinde neler olduğunu hesapladığımızda, onun o kadar da boş olmadığını göreceğiz. Aksine, kuantum fiziği hala gerçek olduğu için, uzay yapısında belli miktarda içsel enerji olacaktır. Evrendeki her şeyin doğasında bir belirsizlik vardır: belirsiz pozisyonlar, belirsiz anlar ve hatta içsel belirsiz enerji.
Sadece zaman ve mekandaki her şeyin ortalamasını alarak, uzayın ne olduğu hakkında anlamlı bilgiler elde edebiliriz.
Kuantum vakumda sanal parçacıkların kuantum alan teorisi hesaplamasını gösteren bir görselleştirme sahnesi. Boş bir uzayda bile, bu vakum enerjisi sıfırdan farklıdır. Çoklu evrenin diğer bölgelerinde, aynı sabit değere sahip olup olmadığını henüz bilmiyoruz, ancak bunu yapmak için bir teşvik yok.
Uzayın enerjisi teoride mutlak anlamda belirleyebileceğimiz bir şey değildir; hesaplama araçlarımız bunu yapacak kadar güçlü değildir. Bununla birlikte, evrenin genişlemesini çizerek uzayda bulunan enerjiyi ölçebiliriz. Evrenin nasıl genişlediğini ne kadar iyi ölçebilirsek, uzay enerjisine eşit görünen karanlık enerjinin doğasını o kadar iyi sınırlayabiliriz. Bu, uzay enerji yoğunluğunun en iyi mutlak ölçümüdür.
Dahası, enerji yoğunluğunun sıfır olmaması çok şaşırtıcı. Evrenin genişlemesi hızlanıyor, bu da boş uzayın kendisinin pozitif, sıfır olmayan bir enerji yoğunluğuna sahip olduğu anlamına geliyor.
Herhangi bir şekli, herhangi bir enerjisi veya eğriliği olmayan düz, boş bir alan. Bu, sözde Minkowski uzayının uzay-zaman çözümüdür. Bununla birlikte, karanlık enerji ölçümümüze göre, bu uzayın doğasında sıfır olmayan bir enerji var gibi görünüyor.
Öyleyse şimdi, boş uzay-zamanınızı aynı boş uzay-zamanla değiştirin, bir istisna dışında: seçtiğiniz yerde bir kütle noktası aşağı inersiniz.
Teknik olarak konuşursak, Minkowski uzayından Schwarzschild uzayına geçiyorsunuz; teknik olmayan terimlerle, evreninizdeki her konuma değişken bir uzaysal eğrilik eklediniz. Kütleye ne kadar yakın olursanız, uzay-zaman eğriliği o kadar şiddetli olur ve bir yer bile olabilir, ne tür bir parçacık olursanız olun, ne kadar hızlı hareket ederseniz edin veya ne kadar hızlanırsanız hareket edin, o alandan kaçmak imkansızdır. .
Kaçabilmek ile kaçamamak arasındaki sınır, evrenimizdeki tüm kara deliklerin bir özelliği olması gereken olay ufku olarak adlandırılır.
Şiddetli kavisli uzay-zaman diyagramı, bizim tarafımız bir kara deliğin ufku. Kütlenin konumuna yaklaştıkça, uzay daha kavisli hale gelir ve sonunda ışığın bile kaçamayacağı bir konuma yol açar: olay ufku.
Belki şöyle düşünüyorsunuz, "Sürekli varoluşa giren ve çıkan, boşluğu dolduran her türlü parçacık ve karşıt parçacık vardır. Şimdi bir olay ufkumuz var: hiçbir şeyin kaçamayacağı bir alan. Bu nedenle, bazen olaylarda Olay ufkunun dışında görünen bir çift parçacık, olay ufkunu geçip olay ufkuna girebilir ve sonra kaybolabilir. Diğer parçacık da, olduğu gibi kara delikten kaçabilir ve enerjiyi alabilir. "
Enerjinin korunması gerektiğinden, bulmacanın bir parçasını bir araya getirebilir ve enerjinin kara deliğin kendisinin kütlesinden gelmesi gerektiğini iddia edebilirsiniz. Bu, Hawking'in kara deliklerin nasıl buharlaştığını detaylandıran Hawking radyasyonunu açıklarken ortaya koyduğu açıklamaya çok benziyor.
Boş bir uzayı parçacık / karşıt parçacık çiftleriyle dolu bir kabarcık olarak düşünürseniz, bu parçacık / karşıt parçacık çiftleri girip çıkabilir ve kara delikten gelen radyasyonu görürsünüz. Bu görselleştirme tamamen doğru değil, ancak kolayca görselleştirilebiliyor olmasının da faydaları var.
Ancak birçok yönden bu yanlıştır. Her şeyden önce, bu görselleştirme gerçek parçacıklar değil, sanal parçacıklardır. Kuantum boşluğunu tanımlamaya çalışıyoruz, ancak bunlar gerçek parçacıklar değil. Kuantum alan teorisindeki parçacık-karşıt parçacık çifti, fiziksel olarak gözlemlenebilir bir varlık değil, yalnızca bir hesaplama aracıdır. İkincisi, kara delikten çıkan Hawking radyasyonu madde veya antimadde parçacıkları değil, neredeyse tamamen fotonlardır. Üçüncüsü, Hawking radyasyonunun çoğu olay ufkunun kenarından değil, kara deliğin etrafındaki geniş bir alandan geliyor.
Parçacık-karşı-parçacık çiftlerinin yorumuna uyulması gerekiyorsa, en iyisi onları dört tür çift dizisi olarak ele almaya çalışmaktır:
Dışarı dışarı,
Çıkış,
In-out,
Giriş.
Orada, dışarıdan içeri ve dışarıya çiftler aslında enerji taşıyan fotonlar üretmek için etkileşime girerler.Kayıp enerji uzayın eğriliğinden gelir ve bu da merkezdeki kara deliğin kütlesini azaltır.
Hawking radyasyonu, kara delik ufku etrafındaki kavisli uzay-zamanda kuantum fiziğinin tahminlerinin kaçınılmaz sonucudur. Bu grafik, radyasyonun ufkun dışından enerji tarafından üretildiğini gösteriyor, bu da kara deliğin telafi etmek için kütle kaybetmesi gerektiği anlamına geliyor.
Ancak gerçek açıklama görselleştirme için uygun değildir, bu da birçok insanın kafasını karıştırır. Hesaplamanız gereken şey, kuantum alan kuramının kara deliğin etrafındaki oldukça kıvrımlı bölgede nasıl davrandığıdır. Ufkun tam üzerinde olması gerekmiyor, ufkun dışında devasa bir küresel alan.
Kavisli olsun ya da olmasın uzayın mutlak enerjisini hesaplayamayız, ancak yapabileceğimiz şey, enerji ve kuantum vakum özelliklerinde uzay ve uzay olmayan arasındaki farkı hesaplamaktır.
Kavisli bir uzayda kuantum alan teorisi hesaplamaları yaptığınızda, şaşırtıcı bir çözüm bulursunuz: Kara delik olay ufku etrafındaki boşluğa sıcak siyah cisim radyasyonu yaymak. Ufuk ne kadar küçükse, ufka yakın uzayın eğriliği o kadar büyük ve Hawking radyasyon oranı o kadar büyük olur.
Bir kara deliğin ufku küresel veya küresel bir bölgedir ve ondan hiçbir şey, ışık bile kaçamaz. Ancak olay ufkunun dışında, kara deliklerin radyasyon yayması bekleniyor. Hawking'in 1974'teki çalışması bunu ilk kez kanıtladı ve bunun onun en büyük bilimsel başarısı olduğu söylenebilir.
Gerçek açıklama çok daha karmaşıktır, bu da Hawking'in basit imajının kendi sınırlamaları olduğunu gösterir. Sorunun kökü, parçacık-karşı-parçacık çiftlerinin ortaya çıkması ve kaybolması değildir, ancak farklı gözlemcilerin parçacıklar hakkında farklı görüşleri vardır.Bu problem eğri uzayda düz uzaydan daha karmaşıktır.
Temel olarak, bir gözlemcinin gördüğü şey boş bir uzaydır ve hızlanan bir gözlemcinin gördüğü şey o uzaydaki parçacıklardır. Hawking radyasyonunun kökeninin gözlemcinin pozisyonuyla çok ilgisi vardır ve gördükleri hızlandırılmış radyasyonun sabit radyasyonla çok ilgisi vardır.
Sonuç olarak, kara delik, en sonunda yaklaşık on kara deliğin çoğunlukla Schwarzschild yarıçapını kaplayan, etrafındaki her yöne (çoğunlukla foton şeklinde) sıcak kara cisim radyasyonu yayar.
Simüle edilmiş kara delik bozunması yalnızca radyasyon emisyonuna neden olmayacak, aynı zamanda merkezi yörüngenin kütlesinin zayıflamasına neden olacak ve böylece çoğu nesneyi sabit tutacaktır. Kara delikler sabit nesneler değildir, zamanla değişir.
Hawking'in açıklamasının büyük bir kısmı doğrudur, yani yeterli zaman varsa, bu kara deliklerin sonsuza kadar var olmayacağı, ancak çürüyeceği anlamına gelir.
Enerji kaybı, sonuçta tam bir buharlaşmaya yol açan merkezi kara deliğin kütlesini azaltır. Hawking radyasyonu son derece yavaş bir süreçtir. Bu süreçte, güneşimizin aynı kütlesine sahip bir kara deliğin buharlaşması 10 ^ 67 yıl sürecektir; Samanyolu'nun merkezindeki kara delik 10 ^ 87 yıl ve evrendeki en büyük kara delik 10 ^ 100 yıl içinde buharlaşacak! Bir kara delik ne zaman bozulsa, gördüğünüz son şey ışıltılı, enerjik ışıma ve enerjik parçacıklardır.
Bir kara deliğin Hawking radyasyonu yoluyla çürümesi, ömrünün çoğu boyunca gözlemlenebilir foton özellikleri üretmelidir. Bununla birlikte, son aşamada, Hawking radyasyonunun buharlaşma hızı ve enerjisi, hiçbir kara deliğin oluşmadığı durumdan benzersiz ve farklı olacak olan, parçacıkların ve antiparçacıkların net tahminleri olduğu anlamına gelir.
Evet, Hawkingin orijinal parçacık-karşı-parçacık çifti ufkun dışında üretilir. Bir parçacık kaçar ve enerjiyi alır ve diğer parçacık kara deliğin içine düşerek karadeliğin kütlesini kaybetmesine neden olur. Bu gerçekten çok basit ve tamamen yanlıştır. . Aksine, karadeliğin dışında radyasyon oluşuyor, çünkü farklı gözlemciler kara deliğin dışındaki kuvvetli kavisli uzayda neler olduğu konusunda hemfikir olamıyorlar ve hala uzakta olan insanlar bir istikrar hissi görecek. Sıcak, kara cisim, düşük enerjili radyasyon akışı ondan yayılır. Uzayın aşırı eğriliği bu fenomenin temel nedenidir ve kara deliğin yavaşça buharlaşmasına ve yok olmasına neden olur.
