Tanyakan Ethan: Bagaimana materi gelap berinteraksi dengan lubang hitam?

Lubang hitam adalah salah satu objek paling ekstrim dari Semesta: konsentrasi massa sangat besar sehingga runtuh menjadi singularitas di pusatnya, sesuai sepenuhnya dengan teori relativitas umum. Atom, nuklei, dan bahkan partikel fundamental dihancurkan hingga ketebalan kecil yang sewenang-wenang di ruang tiga dimensi kita. Pada saat yang sama, segala sesuatu yang jatuh ke dalamnya ditakdirkan untuk tidak pernah muncul kembali, tetapi hanya untuk melengkapi gaya tarik gravitasinya. Apa artinya ini bagi materi gelap? Pembaca kami bertanya:

Bagaimana materi gelap berinteraksi dengan lubang hitam? Apakah ia menyedotnya menjadi singularitas, seperti materi biasa, dan apakah ia melengkapi massa black hole? Jika demikian, apa yang terjadi padanya setelah lubang hitam menguap melalui radiasi Hawking?

Pertanyaan yang sangat bagus, dan Anda harus mulai dengan apa lubang hitam itu.



Di negara kita, untuk mengirim sesuatu ke luar angkasa, perlu untuk mengatasi tarikan gravitasi Bumi. Di planet kita, apa yang kita sebut kecepatan ruang kedua adalah 11,2 km / s, dan itu dapat dicapai dengan bantuan peluncuran roket yang kuat. Jika kita berada di permukaan Matahari, kecepatan ini akan hampir 55 kali lebih tinggi, yaitu, sama dengan 617,5 km / s. Setelah kematian, Matahari kita akan menyusut menjadi katai putih, yang massanya kira-kira sama dengan 50% dari massa Matahari saat ini, dan ukurannya adalah ukuran Bumi. Dalam hal ini, kecepatan kosmik kedua pada permukaannya akan menjadi sama dengan 4570 km / s, atau 1,5% dari kecepatan cahaya.



Sirius A dan B, bintang normal seperti Matahari dan katai putih. Meskipun katai putih jauh lebih kecil massanya, ukuran terestrial yang kecil membuat kecepatan kosmik kedua jauh lebih besar.



Ini penting, karena semakin banyak massa yang Anda kumpulkan dalam satu ruang, semakin dekat dengan kecepatan cahaya yang Anda butuhkan untuk melarikan diri dari objek ini. Dan ketika kecepatan pada permukaan benda ini mencapai atau melampaui kecepatan cahaya, maka di sini bukan hanya cahaya yang tidak bisa lepas, itu sudah wajib - berdasarkan pada pemahaman kita tentang materi, energi, ruang dan waktu - segala sesuatu di dalam objek itu runtuh menjadi singularitas. Alasannya sederhana: semua interaksi mendasar, termasuk kekuatan yang menahan atom, proton dan bahkan quark, tidak dapat bergerak lebih cepat daripada cahaya. Jadi, jika Anda berada di suatu tempat di luar titik singularitas dan mencoba memegang objek sedikit lebih jauh melawan keruntuhan gravitasi, tidak ada yang akan datang darinya; keruntuhan tidak bisa dihindari. Dan untuk mengatasi keterbatasan ini, sebagai permulaan, Anda membutuhkan bintang yang lebih masif dari 20-40 massa matahari.


Sebuah bintang masif di akhir masa hidupnya, dengan inti besinya runtuh ke dalam dan membentuk lubang hitam

Ketika bahan bakar habis di intinya, pusat akan jatuh ke dalam di bawah gravitasinya sendiri dan menciptakan supernova bencana, menjatuhkan dan menghancurkan lapisan luar, dan meninggalkan lubang hitam di tengah. BH "massa bintang" ini, yang massanya berada di urutan 10 massa matahari, tumbuh seiring waktu, menyerap materi atau energi apa pun yang berani datang terlalu dekat dengan mereka. Bahkan jika Anda jatuh ke dalam BH dengan kecepatan cahaya, Anda tidak bisa keluar. Karena lengkungan yang sangat kuat dari ruang di dalam, Anda pasti akan jatuh ke singularitas di tengah. Setelah itu, Anda tinggal menambahkan energi BH.


Lubang hitam menyerap disk akresi

Dari luar tidak dapat dikatakan apakah BH ini awalnya terbuat dari proton dan elektron, neutron, materi gelap atau bahkan antimateri. Dalam BH, sejauh yang kita tahu, hanya tiga sifat yang dapat diukur: massa, muatan listrik, dan momentum sudut, yaitu kecepatan putarannya. Materi gelap, sejauh yang kita tahu, tidak memiliki muatan listrik, atau bilangan kuantum ( muatan warna , bilangan baryon , bilangan lepton , dll.) Yang dapat disimpan atau dihancurkan sesuai dengan paradoks hilangnya informasi di BH.



Karena prinsip pembentukan BH (karena ledakan bintang-bintang supermasif), pada pertama kalinya setelah kemunculannya, mereka hampir 100% terdiri dari materi normal (baryonic), dan 0% dari materi gelap. Ingat bahwa materi gelap hanya berinteraksi melalui gravitasi, berbeda dengan materi normal, berinteraksi melalui interaksi gravitasi, lemah, elektromagnetik, dan kuat. Ya, tentu saja, materi gelap di galaksi besar dan kelompok sekitar lima kali lebih banyak dari biasanya, tetapi ini jika disimpulkan dengan lingkaran galaksi raksasa. Dalam galaksi biasa, halo ini memanjang selama beberapa juta tahun cahaya, secara spheris, ke segala arah, dan materi normal terkonsentrasi di cakram dengan volume 0,01% materi gelap.


Materi normal di cakram pusat dan materi gelap di lingkaran biru galaksi khas

BH biasanya terbentuk di dalam galaksi, di mana materi normal mendominasi gelap. Pertimbangkan bagian ruang tempat kita dan Matahari berada. Jika Anda melingkari itu dengan radius 100 AU di sekitar tata surya, kita akan memasukkan semua planet, bulan, asteroid, dan hampir seluruh sabuk Kuiper, tetapi massa baryonik - materi normal - dari apa yang akan ada di dalamnya akan terutama diwakili oleh massa Matahari dan akan sekitar 2 * 10 ³⁰ kg. Di sisi lain, jumlah total materi gelap dalam bidang ini adalah 1 * 10 ¹⁹ kg, yaitu sekitar 0,0000000005% dari massa materi normal di area yang sama, yang kira-kira sama dengan massa asteroid sederhana seperti planet kecil Juno, sekitar 200 km.



Seiring waktu, materi gelap dan materi normal akan bertabrakan dengan lubang hitam ini, dan ia akan menyerapnya, menambah massanya. Sebagian besar pertumbuhan massa BH akan disebabkan oleh materi normal, dan bukan materi gelap, meskipun, pada titik tertentu, empat miliar tahun kemudian, tingkat peluruhan BH masih akan melebihi tingkat pertumbuhannya. Radiasi Hawking akan menghasilkan emisi partikel dan foton di luar horizon peristiwa lubang hitam, menjaga semua energi, muatan, dan momentum sudut interior BH. Proses ini dapat berlangsung dari 10 ⁶⁷ tahun (untuk BH dengan massa dari Matahari) hingga 10 ¹⁰⁰ tahun (untuk BH yang paling masif, yang massanya miliaran kali lebih banyak dari matahari), tetapi hasilnya adalah campuran dari segala yang mungkin.



Ini berarti bahwa BH juga akan memancarkan materi gelap, tetapi ini tidak bergantung sama sekali pada apakah BH tertentu pernah menyerap materi gelap. Lubang hitam hanya mengingat satu set kecil bilangan kuantum yang telah jatuh ke dalamnya, dan jumlah materi gelap yang jatuh ke dalamnya tidak termasuk dalam set ini. Keluar dari itu sama sekali bukan apa yang masuk!


Contoh radiasi Hawking yang meninggalkan BH dari area dekat horizon peristiwa (hanya ilustrasi kualitatif!)

Jadi, pada akhirnya, materi gelap hanyalah sumber makanan lain untuk BH, dan tidak terlalu baik. Ini bahkan bukan sumber makanan yang sangat menarik. Hasil masuk ke BH materi gelap tidak akan berbeda dari hasil percobaan di mana Anda akan bersinar di BH dengan senter, dan itu akan menyerap foton Anda. Cukup untuk menuangkannya, menurut persamaan E = mc ² , sebanyak energi yang masuk materi gelap ke dalamnya dalam bentuk massa. Tidak ada muatan lain dalam materi gelap, dan karena itu, kecuali momentum sudut yang diperoleh karena jatuh di luar pusat BH (yang juga berlaku untuk foton), itu tidak akan berpengaruh pada BH.