Tanyakan Ethan: Apa yang terjadi pada singularitas ketika lubang hitam menguap?

Cakrawala peristiwa lubang hitam adalah bagian bola atau bola yang tidak bisa dilepaskan oleh cahaya, bahkan cahaya sekalipun. Tetapi ada prediksi bahwa, di luar horizon peristiwa, sebuah lubang hitam memancarkan radiasi.

Sulit dibayangkan, mengingat keragaman bentuk yang diterima oleh materi di Semesta, bahwa selama jutaan tahun hanya ada atom-atom netral hidrogen dan helium di dalamnya. Mungkin hampir sama sulitnya untuk membayangkan bahwa suatu hari, setelah empat miliar tahun, semua bintang akan padam. Hanya sisa-sisa alam semesta yang hidup seperti itu yang akan ada, termasuk objeknya yang paling mengesankan: lubang hitam. Tetapi mereka tidak abadi. Pembaca kami ingin tahu persis bagaimana ini akan terjadi:

Apa yang terjadi ketika lubang hitam kehilangan energi yang cukup karena radiasi Hawking, dan kepadatan energinya tidak lagi cukup untuk mempertahankan singularitas dengan horizon peristiwa? Dengan kata lain, apa yang terjadi ketika lubang hitam berhenti menjadi lubang hitam karena radiasi Hawking?

Untuk menjawab pertanyaan ini, penting untuk memahami apa sebenarnya lubang hitam itu.


Anatomi bintang yang sangat masif selama masa hidupnya, yang memuncak pada supernova tipe IIa pada saat ketika bahan bakar nuklir berakhir di inti

Lubang hitam terutama terbentuk setelah jatuhnya inti bintang besar yang telah menghabiskan semua bahan bakar nuklir dan tidak lagi mensintesis elemen yang lebih berat darinya. Dengan deselerasi dan penghentian sintesis, inti mengalami penurunan kuat dalam tekanan radiasi, yang hanya membuat bintang dari keruntuhan gravitasi. Sementara lapisan luar sering mengalami reaksi fusi di luar kendali, dan meledak bintang asli menjadi supernova, nukleus pertama menyusut menjadi bintang neutron, tetapi jika massanya terlalu besar, bahkan neutron menyusut dan menjadi padat, dari dimana lubang hitam muncul. BH juga dapat terjadi ketika bintang neutron dalam proses akresi mengambil massa yang cukup dari bintang pendamping dan melewati garis yang diperlukan untuk konversi ke BH.


Ketika sebuah bintang neutron mendapatkan cukup materi, ia dapat runtuh ke dalam lubang hitam. Ketika BH mengumpulkan materi, disk akresi dan massa tumbuh, ketika materi berada di luar cakrawala peristiwa

Dari sudut pandang gravitasi, semua yang diperlukan untuk menjadi BH adalah mengumpulkan cukup massa dalam volume yang cukup kecil sehingga cahaya tidak bisa lepas dari bagian tertentu. Setiap massa, termasuk planet Bumi, memiliki kecepatan lepasnya sendiri: kecepatan yang perlu Anda capai untuk melepaskan diri dari gaya tarik gravitasi pada jarak tertentu (misalnya, pada jarak dari pusat Bumi ke permukaannya) dari pusat massa. Tetapi jika Anda memperoleh massa yang cukup sehingga kecepatan yang Anda butuhkan untuk memperoleh pada jarak tertentu dari pusat massa sama dengan cahaya - maka tidak ada yang akan bisa menghindarinya, karena tidak ada yang bisa menyalip cahaya.


Massa lubang hitam adalah satu-satunya faktor yang menentukan jari-jari horizon peristiwa untuk BH terisolasi yang tidak berputar

Jarak ini dari pusat massa di mana kecepatan pelarian sama dengan kecepatan cahaya - sebut saja R - menentukan ukuran horizon peristiwa lubang hitam. Tetapi fakta bahwa dalam kondisi seperti itu, materi ada di dalam mengarah pada konsekuensi yang kurang diketahui: semua itu harus runtuh ke singularitas. Orang dapat membayangkan bahwa ada keadaan materi yang memungkinkannya untuk tetap stabil dan memiliki volume yang terbatas di dalam cakrawala peristiwa - tetapi ini secara fisik tidak mungkin.

Untuk memiliki efek luar, partikel di dalam harus mengirim partikel yang memindahkan interaksi dari pusat massa menuju horizon peristiwa. Tetapi partikel pengangkut interaksi ini juga dibatasi oleh kecepatan cahaya, dan di mana pun Anda berada di dalam cakrawala peristiwa, semua garis dunia berakhir di pusatnya. Untuk partikel yang lebih lambat dan lebih besar itu bahkan lebih buruk. Begitu BH dengan horizon peristiwa muncul, semua materi di dalamnya dikompresi menjadi singularitas.


Luar angkasa-waktu dari Schwarzschild BH, yang dikenal sebagai paraboloid Flamm , mudah untuk dihitung. Namun dalam horizon peristiwa, semua garis geodesi mengarah pada singularitas pusat.

Dan karena tidak ada yang bisa lolos, orang dapat memutuskan bahwa BH itu abadi. Dan jika bukan untuk fisika kuantum, itu akan terjadi. Tetapi dalam fisika kuantum, ada jumlah energi yang tidak nol yang melekat dalam ruang itu sendiri: kekosongan kuantum. Dalam ruang melengkung, ruang hampa kuantum memperoleh sifat yang sedikit berbeda dari yang datar, dan tidak ada daerah di mana kelengkungan akan lebih tinggi daripada di sekitar singularitas lubang hitam. Jika kita membandingkan dua hukum alam ini - fisika kuantum dan ruang-waktu dari GR di sekitar BH - kita mendapatkan yang namanya radiasi Hawking.


Visualisasi kromodinamik kuantum menunjukkan bagaimana pasangan partikel / antipartikel muncul dari vakum kuantum pada interval yang sangat singkat sebagai konsekuensi dari prinsip ketidakpastian Heisenberg

Jika Anda melakukan perhitungan menurut teori medan kuantum di ruang melengkung, Anda akan mendapatkan jawaban yang luar biasa: radiasi panas dari benda hitam dipancarkan dari ruang yang mengelilingi cakrawala peristiwa lubang hitam. Dan semakin kecil horizon peristiwa, semakin kuat kelengkungan ruang di sebelahnya, dan semakin tinggi kecepatan radiasi Hawking. Jika Matahari kita adalah lubang hitam, suhu radiasi Hawking-nya adalah 62 nK. Jika kita mengambil BH di tengah Galaksi kita, yang massanya 4.000.000 kali lebih besar, maka suhunya sudah 15 fK, hanya 0,000025% dari yang pertama.


Gambar komposit dari rentang x-ray dan inframerah, yang menunjukkan BH di tengah Galaksi kita: Sagitarius A * . Massanya 4 juta kali lipat dari matahari, dan dikelilingi oleh sinar-X yang memancarkan gas panas. Dan itu juga memancarkan radiasi Hawking (yang tidak bisa kita deteksi), tetapi pada suhu yang jauh lebih rendah.

Ini berarti bahwa BH kecil menguap lebih cepat, sementara BH besar hidup lebih lama. Perhitungan mengatakan bahwa BH dari massa matahari akan ada 10 ⁶⁷ tahun sebelum menguap, tetapi BH di pusat galaksi kita akan hidup 10 ²⁰ kali lagi sebelum penguapan. Tetapi hal yang paling gila dalam semua ini adalah bahwa sampai fraksi terakhir dari detik terakhir, BH akan menjaga cakrawala peristiwa, sampai saat ketika massa menjadi nol.


Radiasi Hawking tak terhindarkan mengikuti prediksi fisika kuantum dalam ruang-waktu melengkung yang mengelilingi horizon peristiwa BH

Namun detik terakhir kehidupan BH akan ditandai dengan pelepasan energi yang istimewa dan sangat besar. Satu detik akan tetap padanya ketika beratnya turun menjadi 228 ton. Ukuran horizon peristiwa pada saat ini adalah 340, yaitu 3,4 × 10 ^-22 : ini adalah panjang gelombang foton dengan energi yang melebihi semua yang telah diperoleh sejauh ini di Large Hadron Collider. Tetapi dalam detik terakhir ini 2.05 × 10 ²² J energi akan dilepaskan, yang setara dengan 5 juta megaton TNT. Seolah-olah satu juta bom nuklir meledak serentak di area kecil ruang - ini adalah tahap terakhir dari radiasi lubang hitam.


Dalam proses bagaimana lubang hitam mengering dalam massa dan jari-jari, radiasi Hawking-nya menjadi semakin banyak dalam suhu dan daya

Tapi apa yang tersisa? Radiasi keluar saja. Di mana sebelumnya ada singularitas dalam ruang di mana massa, serta, mungkin, muatan dan momentum sudut ada dalam volume yang sangat kecil, sekarang tidak ada apa-apa. Ruang telah dipulihkan ke keadaan sebelumnya, non-singular, setelah interval yang tampaknya tak terbatas: waktu seperti itu sudah cukup untuk semua yang terjadi di dalamnya sejak awal terjadi di Semesta, triliunan kali triliunan. Ketika ini pertama kali terjadi, tidak akan ada lagi bintang atau sumber cahaya di Semesta, dan tidak akan ada orang yang bisa hadir pada ledakan hebat ini. Tetapi tidak ada "batasan" untuk ini. BH harus menguap sepenuhnya. Dan setelah itu, sejauh yang kita tahu, tidak akan ada yang tersisa selain radiasi yang keluar.


Melawan latar belakang yang kelihatannya abadi dari kegelapan konstan, satu kilatan cahaya akan muncul: penguapan lubang hitam terakhir di Semesta

Dengan kata lain, jika Anda bisa mengamati penguapan BH terakhir di Semesta, Anda akan melihat ruang kosong di mana tidak ada tanda-tanda aktivitas selama 10 ¹⁰⁰ tahun atau lebih. Dan tiba-tiba kilatan radiasi yang luar biasa dari spektrum dan kekuatan tertentu muncul, lari dari satu titik di ruang angkasa dengan kecepatan 300.000 km / s. Dan ini akan menjadi yang terakhir kalinya di alam semesta yang dapat diamati, ketika beberapa peristiwa dicuci oleh radiasinya. Sebelum penguapan BH terakhir, dalam bahasa puitis, Semesta akan mengatakan untuk terakhir kalinya: "Jadilah terang!"

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika alam semesta mengembang, mengapa kita tidak mengembang