Fragen Sie Ethan: Was passiert mit einer Singularität, wenn ein Schwarzes Loch verdunstet?

Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist ein kugelförmiger oder kugelförmiger Abschnitt, aus dem nichts, auch kein Licht, entweichen kann. Es gibt jedoch eine Vorhersage, dass ein Schwarzes Loch außerhalb des Ereignishorizonts Strahlung aussendet.

Angesichts der Vielfalt der von der Materie im Universum akzeptierten Formen ist es schwer vorstellbar, dass Millionen von Jahren nur neutrale Atome von Wasserstoff und Helium darin existierten. Vielleicht ist es ungefähr genauso schwer vorstellbar, dass eines Tages nach Billiarden Jahren alle Sterne ausgehen werden. Es werden nur die Überreste eines solchen lebenden Universums existieren, einschließlich seiner beeindruckendsten Objekte: Schwarze Löcher. Aber sie sind nicht ewig. Unser Leser möchte genau wissen, wie dies geschehen wird:

Was passiert, wenn ein Schwarzes Loch aufgrund von Hawking-Strahlung genug Energie verliert und seine Energiedichte nicht mehr ausreicht, um eine Singularität mit dem Ereignishorizont aufrechtzuerhalten? Mit anderen Worten, was passiert, wenn ein Schwarzes Loch aufgrund von Hawking-Strahlung kein Schwarzes Loch mehr ist?

Um diese Frage zu beantworten, ist es wichtig zu verstehen, was ein Schwarzes Loch wirklich ist.


Die Anatomie eines sehr massiven Sterns während seines Lebens, der in einer Supernova vom Typ IIa gipfelt, wenn der Kernbrennstoff im Kern endet

Schwarze Löcher entstehen hauptsächlich nach dem Zusammenbruch des Kerns eines massiven Sterns, der den gesamten Kernbrennstoff verbraucht hat und keine schwereren Elemente mehr daraus synthetisiert. Mit der Verzögerung und Beendigung der Synthese erfährt der Kern einen starken Abfall des Strahlungsdrucks, der den Stern nur vor dem Gravitationskollaps bewahrte. Während die äußeren Schichten häufig eine außer Kontrolle geratene Fusionsreaktion erfahren und den ursprünglichen Stern zu einer Supernova explodieren, schrumpft der Kern zuerst zu einem Neutronenstern, aber wenn seine Masse zu groß ist, schrumpfen sogar Neutronen und werden dichter was ein schwarzes Loch entsteht. BH kann auch auftreten, wenn ein Neutronenstern im Akkretionsprozess genügend Masse von einem Begleitstern aufnimmt und die für die Umwandlung in BH erforderliche Linie überschreitet.


Wenn ein Neutronenstern genug Materie gewinnt, kann er in ein Schwarzes Loch fallen. Wenn das BH Materie sammelt, wachsen seine Akkretionsscheibe und Masse, wenn Materie über den Horizont der Ereignisse hinausfällt

Unter dem Gesichtspunkt der Schwerkraft ist alles, was benötigt wird, um ein BH zu werden, genug Masse in einem ausreichend kleinen Volumen zu sammeln, damit das Licht nicht aus einem bestimmten Abschnitt entweichen kann. Jede Masse, einschließlich des Planeten Erde, hat ihre eigene Fluchtgeschwindigkeit: die Geschwindigkeit, die Sie erreichen müssen, um der Anziehungskraft in einer bestimmten Entfernung (z. B. in einer Entfernung vom Erdmittelpunkt zur Oberfläche) vom Massenmittelpunkt zu entkommen. Wenn Sie jedoch genug Masse gewinnen, so dass die Geschwindigkeit, die Sie in einem bestimmten Abstand vom Massenmittelpunkt benötigen, gleich dem Licht ist, kann nichts entweichen, da nichts das Licht überholen kann.


Die Masse des Schwarzen Lochs ist der einzige Faktor, der den Radius des Ereignishorizonts für ein nicht rotierendes isoliertes BH bestimmt

Dieser Abstand vom Massenmittelpunkt, bei dem die außer Kontrolle geratene Geschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist - nennen wir es R -, bestimmt die Größe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs. Aber die Tatsache, dass sich Materie unter solchen Bedingungen im Inneren befindet, führt zu weniger bekannten Konsequenzen: Alles muss zu einer Singularität zusammenbrechen. Man kann sich vorstellen, dass es einen Materiezustand gibt, der es ihm ermöglicht, stabil zu bleiben und ein begrenztes Volumen innerhalb des Ereignishorizonts zu haben - aber dies ist physikalisch unmöglich.

Um einen äußeren Effekt zu erzielen, muss das innere Teilchen das Teilchen senden, das die Wechselwirkung vom Schwerpunkt weg zum Ereignishorizont überträgt. Dieses interaktionstransportierende Teilchen ist jedoch auch durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Unabhängig davon, wo Sie sich innerhalb des Ereignishorizonts befinden, enden alle Weltlinien in seiner Mitte. Bei langsameren und massiveren Partikeln ist es noch schlimmer. Sobald das BH mit dem Ereignishorizont erscheint, wird die gesamte Materie in ihm zu einer Singularität komprimiert.


Die äußere Raumzeit des Schwarzschild-BH, bekannt als Flamm-Paraboloid , ist leicht zu berechnen. Innerhalb des Ereignishorizonts führen jedoch alle geodätischen Linien zu einer zentralen Singularität.

Und da nichts entkommen kann, könnte man entscheiden, dass BH ewig ist. Und wenn nicht für die Quantenphysik, wäre das genau so. In der Quantenphysik gibt es jedoch eine Energiemenge ungleich Null, die dem Raum selbst innewohnt: das Quantenvakuum. In einem gekrümmten Raum erhält ein Quantenvakuum etwas andere Eigenschaften als in einem flachen, und es gibt keine Bereiche, in denen die Krümmung höher wäre als in der Nähe der Singularität des Schwarzen Lochs. Wenn wir diese beiden Naturgesetze vergleichen - Quantenphysik und Raumzeit von GR um BH - erhalten wir so etwas wie Hawking-Strahlung.


Eine Visualisierung der Quantenchromodynamik zeigt, wie Teilchen / Antiteilchen-Paare in sehr kurzen Intervallen als Konsequenzen des Heisenberg-Unsicherheitsprinzips aus dem Quantenvakuum hervorgehen

Wenn Sie Berechnungen nach der Quantenfeldtheorie im gekrümmten Raum durchführen, erhalten Sie eine erstaunliche Antwort: Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers wird aus dem Raum emittiert, der den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs umgibt. Und je kleiner der Ereignishorizont ist, desto stärker ist die Krümmung des Raums daneben und desto höher ist die Hawking-Strahlungsgeschwindigkeit. Wenn unsere Sonne ein Schwarzes Loch wäre, würde ihre Hawking-Strahlungstemperatur 62 nK betragen. Wenn wir das BH in die Mitte unserer Galaxie nehmen, deren Masse 4.000.000-mal größer ist, beträgt die Temperatur bereits 15 fK, nur 0,000025% der ersten.


Zusammengesetztes Bild aus dem Röntgen- und Infrarotbereich, das das BH in der Mitte unserer Galaxie zeigt: Schütze A * . Seine Masse ist 4 Millionen Mal so groß wie die der Sonne und er ist von heißem Gas umgeben, das Röntgenstrahlen emittiert. Und es emittiert auch Hawking-Strahlung (die wir nicht erkennen können), jedoch bei einer viel niedrigeren Temperatur.

Dies bedeutet, dass kleine BHs schneller verdunsten, während große BHs länger leben. Berechnungen besagen, dass das BH der Sonnenmasse 10 ⁶⁷ Jahre vor ihrer Verdunstung existieren wird, aber das BH im Zentrum unserer Galaxie wird vor der Verdunstung noch 10 ²⁰ Mal leben. Aber das Verrückteste an all dem ist, dass der BH bis zum allerletzten Bruchteil der allerletzten Sekunde den Horizont der Ereignisse bis zu dem Moment beibehält, an dem seine Masse Null wird.


Hawking-Strahlung folgt unweigerlich aus den Vorhersagen der Quantenphysik in gekrümmter Raumzeit, die den BH-Ereignishorizont umgibt

Die letzte Sekunde des BH-Lebens wird jedoch durch eine besondere und sehr große Energiefreisetzung gekennzeichnet sein. Eine Sekunde bleibt ihr, wenn ihre Masse auf 228 Tonnen sinkt. Die Größe des Ereignishorizonts beträgt zu diesem Zeitpunkt 340, d. H. 3,4 × 10 ^–22 : Dies ist die Wellenlänge eines Photons mit einer Energie, die alles übersteigt, was bisher am Large Hadron Collider erhalten wurde. In dieser letzten Sekunde werden jedoch 2,05 × 10 ²² J Energie freigesetzt, was 5 Millionen Megatonnen TNT entspricht. Als ob eine Million Atombomben gleichzeitig auf kleinem Raum explodieren - dies ist die letzte Stufe der Strahlung von Schwarzen Löchern.


Während ein Schwarzes Loch in Masse und Radius trocknet, wird seine Hawking-Strahlung immer mehr in Temperatur und Leistung

Aber was bleibt? Nur ausgehende Strahlung. Wo früher eine Singularität im Raum war, in der die Masse sowie möglicherweise die Ladung und der Drehimpuls in einem unendlich kleinen Volumen existierten, gibt es jetzt nichts mehr. Der Raum wurde nach einer unendlichen Zeitspanne in seinen vorherigen, nicht singulären Zustand zurückversetzt: Eine solche Zeit reicht aus, damit alles, was von Anfang an in ihm geschah, im Universum passiert, Billionen von Billionen Mal. Wenn dies zum ersten Mal geschieht, wird es im Universum keine Sterne oder Lichtquellen mehr geben, und es wird niemanden geben, der bei dieser schrecklichen Explosion anwesend sein könnte. Dem sind jedoch keine Grenzen gesetzt. BH sollte vollständig verdunsten. Und danach wird, soweit wir wissen, nichts mehr übrig sein als die ausgehende Strahlung.


Vor dem scheinbar ewigen Hintergrund ständiger Dunkelheit erscheint ein einziger Lichtblitz: die Verdunstung des letzten Schwarzen Lochs im Universum

Mit anderen Worten, wenn Sie die Verdunstung des letzten BH im Universum beobachten könnten, würden Sie einen leeren Raum sehen, in dem es 10 ¹⁰⁰ Jahre oder länger keine Anzeichen von Aktivität gibt. Und plötzlich erscheint ein unglaublicher Strahlungsblitz eines bestimmten Spektrums und einer bestimmten Leistung, der mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km / s von einem Punkt im Weltraum wegläuft. Und dies wird das letzte Mal im beobachtbaren Universum sein, wenn ein Ereignis von seiner Strahlung gewaschen wird. Vor der Verdunstung des letzten BH wird das Universum in poetischer Sprache zum letzten Mal sagen: "Lass es Licht sein!"

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).

FAQ: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum erweitern wir uns dann nicht?