Fragen Sie Ethan: Wie interagiert dunkle Materie mit Schwarzen Löchern?

Schwarze Löcher sind eines der extremsten Objekte des Universums: Die Massenkonzentration ist so groß, dass sie in voller Übereinstimmung mit der allgemeinen Relativitätstheorie in ihrem Zentrum zu einer Singularität zusammenbricht. Atome, Kerne und sogar fundamentale Teilchen werden in unserem dreidimensionalen Raum auf eine beliebig kleine Dicke zerkleinert. Gleichzeitig ist alles, was hineinfällt, dazu verdammt, niemals wieder aufzutauchen, sondern lediglich seine Anziehungskraft zu ergänzen. Was bedeutet das für dunkle Materie? Unser Leser fragt:

Wie interagiert dunkle Materie mit Schwarzen Löchern? Saugt es es wie gewöhnliche Materie in eine Singularität ein und ergänzt es die Masse eines Schwarzen Lochs? Wenn ja, was passiert mit ihr, nachdem ein Schwarzes Loch durch Hawking-Strahlung verdunstet ist?

Eine ausgezeichnete Frage, und Sie sollten mit den schwarzen Löchern beginnen.



In unserem Land ist es notwendig, die Anziehungskraft der Erde zu überwinden, um etwas in den Weltraum zu schicken. Auf unserem Planeten beträgt die zweite Raumgeschwindigkeit 11,2 km / s und kann mit Hilfe mächtiger Raketenstarts erreicht werden. Wenn wir uns auf der Oberfläche der Sonne befänden, wäre diese Geschwindigkeit fast 55-mal höher, dh 617,5 km / s. Nach dem Tod wird unsere Sonne zu einem weißen Zwerg schrumpfen, dessen Masse ungefähr 50% der aktuellen Masse der Sonne entspricht und deren Größe der Größe der Erde entspricht. In diesem Fall entspricht die zweite kosmische Geschwindigkeit auf ihrer Oberfläche 4570 km / s oder 1,5% der Lichtgeschwindigkeit.



Sirius A und B, ein normaler Stern wie die Sonne und ein weißer Zwerg. Obwohl der Weiße Zwerg eine viel kleinere Masse hat, macht seine kleine terrestrische Größe die zweite kosmische Geschwindigkeit viel größer.



Dies ist wichtig, denn je mehr Masse Sie in einem Stück Raum sammeln, desto näher an der Lichtgeschwindigkeit, die Sie benötigen, um diesem Objekt zu entkommen. Und wenn diese Geschwindigkeit auf der Oberfläche des Objekts die Lichtgeschwindigkeit erreicht oder überschreitet, dann ist hier nicht nur das Licht, das nicht entkommen kann, sondern bereits obligatorisch - basierend auf unserem Verständnis von Materie, Energie, Raum und Zeit - alles im Inneren des Objekts kollabiert zu einer Singularität. Der Grund ist einfach: Alle grundlegenden Wechselwirkungen, einschließlich der Kräfte, die Atome, Protonen und sogar Quarks halten, können sich nicht schneller als Licht bewegen. Wenn Sie sich also irgendwo außerhalb des Singularitätspunkts befinden und versuchen, das Objekt etwas weiter gegen den Gravitationskollaps zu halten, wird nichts daraus. Zusammenbruch ist unvermeidlich. Und um diese Einschränkung zu überwinden, benötigen Sie zunächst einen Stern, der massereicher als 20-40 Sonnenmassen ist.


Ein massereicher Stern am Ende seines Lebens, dessen Eisenkern nach innen kollabiert und ein schwarzes Loch bildet

Wenn der Brennstoff in ihrem Kern ausgeht, fällt das Zentrum unter seiner eigenen Schwerkraft nach innen und erzeugt eine katastrophale Supernova, die die äußeren Schichten fallen lässt und zerstört und ein schwarzes Loch in der Mitte hinterlässt. Diese BHs der "Sternmasse", deren Masse in der Größenordnung von 10 Sonnenmassen liegt, wachsen mit der Zeit und absorbieren jegliche Materie oder Energie, die es wagte, ihnen zu nahe zu kommen. Selbst wenn Sie mit Lichtgeschwindigkeit in BH fallen, können Sie nicht aussteigen. Aufgrund der extrem starken Krümmung des Innenraums fallen Sie unweigerlich in die Singularität in der Mitte. Danach fügen Sie einfach BH-Energie hinzu.


Schwarzes Loch absorbiert Akkretionsscheibe

Von außen kann nicht gesagt werden, ob dieses BH ursprünglich aus Protonen und Elektronen, Neutronen, dunkler Materie oder sogar Antimaterie bestand. Soweit wir wissen, können in BH nur drei Eigenschaften gemessen werden: Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls, dh seine Drehzahl. Dunkle Materie hat, soweit wir wissen, weder elektrische Ladung noch Quantenzahlen ( Farbladung , Baryonenzahl , Leptonzahl usw.), die gemäß dem Paradox des Verschwindens von Informationen in BH erhalten oder zerstört werden könnten.



Aufgrund des Prinzips der BH-Bildung (aufgrund von Explosionen supermassiver Sterne) bestehen sie zum ersten Mal nach ihrem Auftreten zu fast 100% aus normaler (baryonischer) Materie und zu 0% aus dunkler Materie. Denken Sie daran, dass dunkle Materie im Gegensatz zur normalen Materie nur durch die Schwerkraft interagiert und durch gravitative, schwache, elektromagnetische und starke Wechselwirkungen interagiert. Ja, natürlich ist dunkle Materie in großen Galaxien und Clustern ungefähr fünfmal so groß wie normal, aber dies ist, wenn man es mit einem riesigen galaktischen Lichthof zusammenfasst. In einer gewöhnlichen Galaxie erstreckt sich dieser Lichthof über mehrere Millionen Lichtjahre sphärisch in alle Richtungen, und normale Materie ist in einer Scheibe mit einem Volumen von 0,01% dunkler Materie konzentriert.


Normale Materie in der zentralen Scheibe und dunkle Materie im blauen Lichthof einer typischen Galaxie

BHs bilden sich normalerweise in der Galaxie, wo normale Materie die Dunkelheit dominiert. Betrachten Sie den Raumabschnitt, in dem wir und unsere Sonne sich befinden. Wenn Sie es mit einer Kugel mit einem Radius von 100 AE umkreisen Um das Sonnensystem herum werden wir alle Planeten, Monde, Asteroiden und fast den gesamten Kuipergürtel einschließen, aber die Baryonenmasse - normale Materie - dessen, was sich im Inneren befindet, wird hauptsächlich durch die Masse der Sonne dargestellt und beträgt etwa 2 * 10 ³⁰ kg. Andererseits beträgt die Gesamtmenge an dunkler Materie in dieser Kugel 1 * 10 ¹⁹ kg, dh ungefähr 0,0000000005% der Masse normaler Materie desselben Gebiets, was ungefähr der Masse eines bescheidenen Asteroiden wie des Nebenplaneten Juno mit einem Durchmesser von etwa 200 km entspricht.



Mit der Zeit kollidieren dunkle Materie und normale Materie mit diesem Schwarzen Loch und absorbieren sie, was zu seiner Masse beiträgt. Der größte Teil des BH-Massenwachstums wird auf normale Materie und nicht auf dunkle Materie zurückzuführen sein, obwohl die BH-Zerfallsrate irgendwann, Billiarden Jahre später, immer noch ihre Wachstumsrate überschreiten wird. Hawking-Strahlung führt zur Emission von Partikeln und Photonen außerhalb des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs, wobei die gesamte Energie, Ladung und der Drehimpuls der BH-Innenräume erhalten bleiben. Dieser Prozess kann 10 ⁶⁷ Jahre (für ein BH mit Masse von der Sonne) bis 10 ¹⁰⁰ Jahre (für die massereichsten BHs, deren Masse milliardenfach höher ist als die der Sonne) dauern, aber das Ergebnis ist eine Mischung aus allem, was möglich ist.



Dies bedeutet, dass BH auch dunkle Materie emittiert, dies hängt jedoch überhaupt nicht davon ab, ob ein bestimmtes BH einmal dunkle Materie absorbiert hat. Das Schwarze Loch erinnert sich nur an einen kleinen Satz von Quantenzahlen, die hineingefallen sind, und die Menge an dunkler Materie, die hineingefallen ist, ist in diesem Satz nicht enthalten. Herauszukommen ist überhaupt nicht das, was reingekommen ist!


Ein Beispiel für Hawking-Strahlung, die das BH aus Gebieten in der Nähe des Ereignishorizonts verlässt (nur eine qualitative Illustration!)

Letztendlich ist dunkle Materie nur eine weitere Nahrungsquelle für BH und nicht sehr gut. Es ist nicht einmal eine besonders interessante Nahrungsquelle. Die Ergebnisse des Eintritts in das BH der dunklen Materie würden sich nicht von den Ergebnissen des Experiments unterscheiden, bei dem Sie mit einer Taschenlampe im BH leuchten und Ihre Photonen absorbieren würden. Es reicht aus, nach der Gleichung E = mc ² so viel Energie wie dunkle Materie in Bezug auf die Masse hinein zu gießen. In der Dunklen Materie gibt es keine anderen Ladungen, und daher hat sie außer dem Drehimpuls, der durch einen Abfall außerhalb des Zentrums des BH (der auch für Photonen gilt) erhalten wird, keine Auswirkung auf das BH.