🤷 🖖🏻 📖 Fragen Sie Ethan Nr. 57: Wie sterben schwarze Löcher? 👩🏾‍⚖️ 🎎 👆🏿

Die dichtesten und massereichsten Objekte des Universums leben schrecklich lange, aber nicht für immer. Und was passiert mit ihnen?

Setzen Sie sich vorher wie ein Kind hin und machen Sie sich bereit, sich von Vorurteilen zu trennen, und folgen Sie bescheiden, wohin und wohin die Abgründe der Natur nicht führen würden, oder Sie werden nichts lernen.
- T. G. Huxley

Wenn Sie sich Schwarze Löcher vorstellen, denken Sie wahrscheinlich an überdichte und sehr massive Teile des Weltraums, aus denen nichts entkommen kann. Weder Materie noch Antimaterie noch Licht! Sie können auch denken, dass sie weiterhin alles essen, was nicht das Glück hatte, ihnen zu begegnen, sogar dunkle Materie. Aber irgendwann wird jedes Schwarze Loch im Universum nicht nur fertig wachsen, sondern auch abnehmen, Masse verlieren, bis es vollständig verdunstet ist! Diese Woche werden wir in unserer Kolumne die Frage von Pavel Zhuzhelsky beantworten, der fragt:

Ich sah oft Erklärungen zur Hawking-Strahlung wie: „Am Ereignishorizont erscheinen Paare virtueller Partikel. Einer fällt in das Loch, der andere rennt weg und nimmt ein Teilchen der Masse des Lochs mit. " Und normalerweise wird im Kleingedruckten angegeben, dass dies eine Vereinfachung ist. Vielleicht ist dies so - denn wenn eines der Partikel in das Loch fällt, sollte seine Masse um die Masse des Partikels zunehmen. Was ist der Haken?

Dies ist ein sehr komplexes Thema, das wir jedoch verstehen. Lassen Sie uns zunächst diskutieren, wie leerer Raum aussieht.

In der allgemeinen Relativitätstheorie haben Raum und Zeit eine komplizierte Verbindung und bilden das vierdimensionale Gefüge der Raumzeit. Wenn Sie alle Teilchen im Universum in einem unendlich großen Abstand von dem Punkt entfernen, den Sie benötigen, wenn Sie die Tatsache der Raumausdehnung aus den Gleichungen entfernen, wenn Sie auch alle Arten von Strahlung und die dem Raum innewohnende Krümmung eliminieren, können Sie behaupten, einen flachen leeren Raum geschaffen zu haben.

Wenn Sie jedoch berücksichtigen, dass Sie im Universum leben, in dem alle Teilchen und ihre Wechselwirkungen durch die Quantenfeldtheorie gesteuert werden, müssen Sie zugeben, dass die physikalischen Felder, die ihre Wechselwirkungen steuern, auch ohne physikalische Teilchen nirgendwo hingehen. Eine der Konsequenzen daraus wird sein, dass die Entität, die wir uns als „flachen leeren Raum“ vorstellen, nicht von Energie verschont bleibt. Stattdessen müssen Sie sich einen flachen leeren Raum als Quantenvakuum vorstellen, in dem es überall Quantenfelder gibt.

Sie kennen vielleicht die Idee, dass es auf einer Quantenskala im Universum inhärente Unsicherheiten im Raum bestimmter Parameter gibt. Wir können nicht gleichzeitig den Ort und den Impuls eines Teilchens kennen, und je besser wir eines davon messen, desto größer ist die Unsicherheit des zweiten. Das gleiche Verhältnis von Unsicherheiten ist charakteristisch für Energie und Zeit, was für uns jetzt wichtig ist.

Wenn Sie beobachten, was Sie sich als leeren Raum vorstellen, es aber gleichzeitig zu einem bestimmten Zeitpunkt beobachten, müssen Sie berücksichtigen, dass der Moment eine unendlich kleine Zeitspanne ist. Aufgrund dieser Unsicherheitsbeziehung besteht zu diesem Zeitpunkt eine enorme Unsicherheit hinsichtlich der gesamten Energiemenge, die selbst im leeren Raum enthalten ist. Dies bedeutet, dass es im Prinzip mehrere Paare von Partikeln und Antiteilchen geben kann, die für sehr kurze Zeiträume existieren, während sie den bekannten Erhaltungsgesetzen entsprechen, die im physischen Universum gelten.

Wir hören oft eine Erklärung wie „Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen und verschwinden in einem Quantenvakuum“, und obwohl diese Erklärung ziemlich klar ist, geschieht dies nicht wirklich. Es gibt keine realen Teilchen in dem Sinne, dass wenn Sie ein Photon oder Elektron durch diesen Raumbereich starten, diese niemals von einem Quantenvakuumteilchen reflektiert werden. Diese Beschreibung gibt uns die Möglichkeit, das „Zittern“ eines Quantenvakuums zu untersuchen und zeigt, dass es ein Reservoir virtueller Teilchen gibt, das es uns ermöglicht, die dem leeren Raum innewohnende Energie als die Summe all dieser virtuellen Teilchen zu interpretieren.

Ich wiederhole, da dies wichtig ist: Dem leeren Raum selbst ist Energie inhärent, und sie kann als die Summe der diesem Raum inhärenten Quantenfluktuationen dargestellt werden.

Lass uns weitermachen. Stellen Sie sich vor, der Raum ist nicht flach und leer, sondern immer noch leer, aber bereits gekrümmt - das heißt, es gibt Abweichungen im Gravitationsfeld des Raums.

Wie werden unsere Quantenfluktuationen aussehen? Wie werden sie insbesondere außerhalb und innerhalb des Ereignishorizonts aussehen, wenn wir zulassen, dass sich der Raum aufgrund des Vorhandenseins eines Schwarzen Lochs verzieht?

Die Fragen sind gut und meistens sehen Sie auf der Suche nach einer Antwort das folgende (falsche) Bild, das die Essenz von Pauls Frage darstellt:

Wenn Sie sich die Partikel / Antiteilchen-Paare als real vorstellen und wenn eines vom Schwarzen Loch wegläuft und das andere über den Horizont der Ereignisse hinausfällt, stellt sich heraus, dass die Energie im Universum zugenommen hat: halb außerhalb des Schwarzen Lochs und halb zur Masse des Schwarzen Lochs. Diese Partikel- und Antiteilchenpaare sind jedoch nicht real, sondern stellen nur eine Möglichkeit dar, die dem Raum innewohnende Energie zu visualisieren und zu berechnen.

Tatsache ist, dass es bei einem gekrümmten Raum, wie Sie sich erinnern, Abweichungen des Gravitationsfeldes gibt. Wir verwenden Schwankungen, um die dem leeren Raum innewohnende Energie zu visualisieren. Es können jedoch Schwankungen auftreten, die außerhalb des Ereignishorizonts beginnen und innerhalb des Horizonts liegen, bevor sie erneut vernichtet werden. Aber Energie kann nicht aus dem leeren Raum gestohlen werden - etwas muss passieren, um sie zu erhalten. Daher sollte jedes Mal, wenn ein virtuelles Teilchen (oder Antiteilchen) hineinfällt, ein reales Photon (oder ein Satz davon) als Ausgleich erscheinen. Und dieses echte Photon, das den Ereignishorizont verlässt, entzieht dem Schwarzen Loch Energie.

Die Methode, die wir zuvor verwendet haben, um den Prozess zu visualisieren, als eines der Partikelpaare fiel und das andere weglief, ist zu naiv, um nützlich zu sein, da die Reduktion von Schwarzen Löchern nicht durch Partikel oder Antiteilchen erleichtert wird, sondern durch Photonen, die dem Spektrum des schwarzen Körpers entsprechen.

Ich bevorzuge ein besseres Bild, obwohl es immer noch ziemlich naiv ist. Stellen Sie sich Quantenfluktuationen vor, bei denen jedes Mal, wenn Sie ein Paar Antiteilchenpartikel haben, von denen eines nach innen fällt, ein weiteres Paar Antiteilchenpartikel erscheint, in das das andere hineinfällt. Der Dampf aus dem Teilchen und dem Antiteilchen, der außerhalb verbleibt, vernichtet sich und emittiert echte Photonen. Diejenigen, die hineinfallen, nehmen dem Schwarzen Loch die entsprechende Menge an Masse (E = ms ² ) ab.

Dies ist immer noch keine ideale Analogie (weil es nur eine Analogie ist), aber zumindest die Photonen verlassen den Horizont der Ereignisse darin, was den Vorhersagen der Hawking-Strahlung entspricht. Tatsächlich - obwohl Sie Berechnungen der Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit durchführen müssen, um dies herauszufinden - sagt Hawking-Strahlung voraus, dass das Photonenspektrum einem vollständig schwarzen Körper mit einer Temperatur entspricht, die gegeben ist durch:

Dies ergibt eine Temperatur von weniger als einem Mikrokelvin für ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die der Masse der Sonne entspricht, weniger als ein PicoKelvin für ein Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie und nur wenige Zehntel AttoKelvin für das größte bekannte Schwarze Loch. Die Abnahmerate, der diese Strahlung entspricht, ist so gering, dass Schwarze Löcher wachsen, selbst wenn sie ein Proton in einem Zeitraum absorbieren, der mit dem Alter unseres Universums vergleichbar ist - dies wird etwa 10 bis ²⁰ Jahre andauern .

Danach verlieren die mit der Sonne massierten Schwarzen Löcher aufgrund der Hawking-Strahlung im Durchschnitt mehr Energie als sie absorbieren und verdampfen nach 10 ⁶⁷ Jahren vollständig und die größten nach 10 ^{100 Jahren}Jahre alt. Dies kann das Alter des Universums weit überschreiten, aber es ist keine Ewigkeit. Und sie werden durch Hawking-Strahlung abnehmen und Photonen emittieren.

Infolgedessen hat der leere Raum eine Energie auf Nullniveau, die nicht gleich Null ist, und im gekrümmten Raum erscheint am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ein energiearmes Emissionsspektrum eines absolut schwarzen Körpers. Diese Strahlung nimmt dem Schwarzen Loch die Masse weg und komprimiert den Ereignishorizont mit der Zeit leicht. Wenn Sie darauf bestehen, die Quelle dieser Strahlung als Partikel / Antiteilchen-Paare darzustellen, stellen Sie sich mindestens zwei Paare gleichzeitig vor. Dann vernichten ein Teilchen aus einem Paar und ein Antiteilchen aus einem anderen, wodurch reale Photonen entstehen, die das Schwarze Loch verlassen, und ein weiteres virtuelles Teilchenpaar fällt in das Loch und nimmt seine Energie (oder Masse) auf.

Also werden schwarze Löcher sterben! Vielen Dank für die tolle Frage, Pavel, und wenn Sie Fragen oder Anregungen haben, senden Sie sie mir.

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