🐇 💅🏻 🧔🏻 Demandez à Ethan n ° 57: comment meurent les trous noirs? 🍑 🔜 🙊

Les objets les plus denses et les plus massifs de l'Univers vivent très longtemps, mais pas pour toujours. Et alors qu'est-ce qui leur arrive

Avant le fait, asseyez-vous comme un enfant et préparez-vous à vous séparer de tout préjugé, en suivant modestement où et à quoi les abîmes de la nature ne mèneraient pas, sinon vous n’apprendriez rien.
- T. G. Huxley

Lorsque vous imaginez des trous noirs, vous pensez probablement à des sections d'espace superdenses et très massives d'où rien ne peut s'échapper. Ni matière, ni antimatière, ni même lumière! Vous pouvez également penser qu'ils continuent de manger tout ce qui n'a pas eu la chance de les rencontrer, même la matière noire. Mais à un moment donné, tout trou noir dans l'Univers finira non seulement par croître, mais commencera également à diminuer, à perdre de la masse, jusqu'à ce qu'il s'évapore complètement! Cette semaine dans notre rubrique nous répondrons à la question de Pavel Zhuzhelsky qui demande:

J'ai souvent vu des explications du rayonnement de Hawking comme: «des paires de particules virtuelles apparaissent sur l'horizon des événements. L'un tombe dans le trou, l'autre s'enfuit, emportant avec lui une particule de la masse du trou. " Et généralement, il est indiqué en petits caractères qu'il s'agit d'une simplification. C'est peut-être le cas - parce que si l'une des particules tombe dans le trou, sa masse devrait augmenter de la masse de la particule. Quelle est la prise?

C'est un sujet très complexe, mais que nous comprenons. Commençons par discuter de ce à quoi ressemble un espace vide.

Dans la théorie générale de la relativité, l'espace et le temps ont une connexion complexe et forment le tissu à quatre dimensions de l'espace-temps. Si vous supprimez toutes les particules de l'Univers à une distance infiniment grande du point dont vous avez besoin, si vous supprimez le fait de l'expansion de l'espace des équations, si vous éliminez également tous les types de rayonnement et la courbure inhérente à l'espace, vous pouvez prétendre avoir créé un espace vide plat.

Mais lorsque vous commencez à prendre en compte que vous vivez dans l'Univers, où toutes les particules et leurs interactions sont contrôlées par la théorie des champs quantiques, vous devrez admettre que même en l'absence de particules physiques, les champs physiques qui contrôlent leurs interactions n'iront nulle part. L'une des conséquences de cela sera que l'entité que nous concevons comme «un espace vide plat» n'est pas épargnée par l'énergie. Au lieu de cela, vous devez imaginer un espace plat vide comme un vide quantique, où il y a des champs quantiques partout.

Vous connaissez peut-être l'idée qu'à l'échelle quantique de l'Univers, il existe des incertitudes inhérentes à l'espace de paramètres spécifiques. Nous ne pouvons pas connaître simultanément l'emplacement et la quantité de mouvement d'une particule, et mieux nous mesurons l'une d'entre elles, plus l'incertitude de la seconde est grande. La même relation d'incertitudes est caractéristique de l'énergie et du temps, ce qui est important pour nous maintenant.

Si vous observez ce que vous imaginez comme un espace vide, mais en même temps que vous l'observez à un certain moment, vous devez considérer que le moment est une période de temps infiniment petite. En raison de cette relation d'incertitude, il y a une énorme incertitude dans la quantité totale d'énergie contenue même dans un espace vide en ce moment. Cela signifie qu'il peut en principe y avoir plusieurs paires de particules et d'antiparticules qui existent pendant de très courtes périodes de temps, alors qu'elles obéissent aux lois de conservation connues en vigueur dans l'Univers physique.

Nous entendons souvent une explication comme «des paires particules-antiparticules apparaissent et disparaissent dans un vide quantique», et bien que cette explication soit assez claire, cela ne se produit pas vraiment. Il n'y a pas de vraies particules, dans le sens où si vous lancez un photon ou un électron à travers cette région de l'espace, elles ne seront jamais réfléchies par une particule de vide quantique. Cette description nous donne l'occasion d'examiner le «tremblement» inhérent au vide quantique et montre qu'il existe un réservoir de particules virtuelles qui nous permet d'interpréter l'énergie inhérente à l'espace vide comme la somme de toutes ces particules virtuelles.

Je le répète, car c'est important: il y a de l'énergie inhérente à l'espace vide lui-même, et elle peut être représentée comme la somme des fluctuations quantiques inhérentes à cet espace.

Continuons. Imaginez que l'espace, au lieu d'être plat et vide, est toujours vide, mais déjà incurvé - c'est-à-dire qu'il y a des déviations dans le champ gravitationnel de l'espace.

À quoi ressembleront nos fluctuations quantiques? En particulier, si nous permettons à l'espace de se déformer en raison de la présence d'un trou noir, à quoi ressembleront-ils à l'extérieur et à l'intérieur de l'horizon des événements?

Les questions sont bonnes, et le plus souvent à la recherche d'une réponse, vous verrez l'image suivante (incorrecte), qui est l'essence de la question de Paul:

Si vous imaginez les paires particules / antiparticules comme réelles, et si l'une s'éloigne du trou noir et que l'autre tombe au-delà de l'horizon des événements, il se trouve que l'énergie a augmenté dans l'Univers: la moitié à l'extérieur du trou noir et la moitié à la masse du trou noir. Mais ces paires de particules et d'antiparticules ne sont pas réelles, mais ne représentent qu'un moyen de visualiser et de calculer l'énergie inhérente à l'espace.

Le fait est qu'avec un espace courbe, comme vous vous en souvenez, il y a des déviations du champ gravitationnel. Nous utilisons des fluctuations pour aider à visualiser l'énergie inhérente à l'espace vide, mais des fluctuations peuvent se produire qui commencent en dehors de l'horizon des événements et tombent à l'intérieur de l'horizon avant de se ré-annihiler. Mais l'énergie ne peut pas être volée dans un espace vide - quelque chose doit se produire pour la préserver. Par conséquent, chaque fois qu'une particule virtuelle (ou antiparticule) tombe à l'intérieur, un vrai photon (ou un ensemble d'entre eux) devrait apparaître pour compenser. Et ce vrai photon quittant l'horizon des événements éloigne l'énergie du trou noir.

La méthode que nous avons utilisée précédemment pour visualiser le processus, lorsque l'une des paires de particules est tombée et que l'autre s'est enfuie, est trop naïve pour être utile, car la réduction des trous noirs n'est pas facilitée par des particules ou des antiparticules, mais par des photons correspondant au spectre du corps noir.

Je préfère une meilleure image, bien qu'elle soit encore assez naïve. Imaginez des fluctuations quantiques dans lesquelles chaque fois que vous avez une paire de particules antiparticules, dont l'une tombe vers l'intérieur, une autre paire de particules antiparticules apparaît, dans laquelle l'autre tombe à l'intérieur. La vapeur de la particule et de l'antiparticule restant à l'extérieur s'annihile, émettant de vrais photons, et ceux qui tombent à l'intérieur prennent la quantité correspondante de masse (E = ms ² ) du trou noir.

Ce n'est pas encore une analogie idéale (car c'est juste une analogie), mais au moins les photons y laissent l'horizon des événements, ce qui correspond aux prédictions du rayonnement de Hawking. En fait - bien que vous deviez calculer la théorie des champs quantiques dans un espace-temps incurvé pour le savoir - le rayonnement de Hawking prédit que le spectre des photons correspondra à un corps complètement noir avec une température donnée par:

ce qui donnera une température inférieure à un microKelvin pour un trou noir avec une masse égale à la masse du Soleil, moins d'un picoKelvin pour un trou noir au centre de notre galaxie, et seulement quelques dixièmes d'attoKelvin pour le plus grand trou noir connu. Le taux de diminution auquel ce rayonnement correspond est si petit que les trous noirs vont croître même s'ils absorbent un proton dans une période de temps comparable à l'âge de notre Univers - cela continuera pendant environ 10 à ²⁰ ans.

Après cela, les trous noirs massés avec le Soleil commenceront enfin à perdre en raison du rayonnement Hawking en moyenne plus d'énergie qu'ils n'en absorbent, et s'évaporeront complètement après 10 ⁶⁷ ans, et le plus grand d'entre eux après 10 ¹⁰⁰ans. Cela peut largement dépasser l'âge de l'univers, mais ce n'est pas l'éternité. Et ils diminueront en raison du rayonnement de Hawking, émettant des photons.

En conséquence: l'espace vide a une énergie de niveau zéro, qui n'est pas égale à zéro, et dans l'espace courbe, à l'horizon des événements d'un trou noir, un spectre d'émission à basse énergie d'un corps absolument noir apparaît. Ce rayonnement enlève la masse du trou noir et comprime légèrement l'horizon des événements avec le temps. Si vous insistez pour représenter la source de ce rayonnement sous forme de paires particules / antiparticules, imaginez au moins deux paires à la fois. Ensuite, une particule d'une paire et une antiparticule d'une autre s'annihilent, créant de vrais photons quittant le trou noir, et une autre paire virtuelle de particules tombe dans le trou et prend son énergie (ou masse).

Alors les trous noirs vont mourir! Merci pour la grande question, Pavel, et si vous avez des questions ou des suggestions, envoyez-les-moi.

Demandez à Ethan n ° 57: comment meurent les trous noirs?

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