Pergunte a Ethan: Como a matéria escura interage com os buracos negros?

Os buracos negros são um dos objetos mais extremos do Universo: a concentração de massa é tão grande que desmorona em uma singularidade em seu centro, em total concordância com a teoria geral da relatividade. Átomos, núcleos e até partículas fundamentais são esmagadas até uma espessura arbitrariamente pequena em nosso espaço tridimensional. Ao mesmo tempo, tudo o que cai nele está fadado a nunca mais voltar, mas simplesmente para complementar sua atração gravitacional. O que isso significa para a matéria escura? Nosso leitor pergunta:

Como a matéria escura interage com os buracos negros? Suga-o para uma singularidade, como a matéria comum, e complementa a massa de um buraco negro? Se sim, o que acontece com ela depois que um buraco negro evapora através da radiação Hawking?

Uma excelente pergunta, e você deve começar com o que são os buracos negros.



Em nosso país, para enviar algo ao espaço, é necessário superar a atração gravitacional da Terra. Em nosso planeta, o que chamamos de segunda velocidade espacial é de 11,2 km / s, e isso pode ser alcançado com a ajuda de poderosos lançamentos de foguetes. Se estivéssemos na superfície do Sol, essa velocidade seria quase 55 vezes maior, ou seja, igual a 617,5 km / s. Após a morte, nosso Sol encolherá para uma anã branca, cuja massa é aproximadamente igual a 50% da massa atual do Sol, e o tamanho é o tamanho da Terra. Nesse caso, a segunda velocidade cósmica em sua superfície se tornará igual a 4570 km / s, ou 1,5% da velocidade da luz.



Sirius A e B, uma estrela normal como o Sol e uma anã branca. Embora a anã branca seja muito menor em massa, seu tamanho pequeno e terrestre torna a segunda velocidade cósmica muito maior.



Isso é importante, porque quanto mais massa você coletar em um espaço, mais próxima da velocidade da luz você precisa para escapar desse objeto. E quando essa velocidade na superfície do objeto atinge ou excede a velocidade da luz, então aqui não é apenas a luz que não pode escapar, ela já é obrigatória - com base em nossa compreensão da matéria, energia, espaço e tempo - tudo dentro do objeto se desmorona em uma singularidade. A razão é simples: todas as interações fundamentais, incluindo as forças que retêm átomos, prótons e até quarks, não podem se mover mais rápido que a luz. Portanto, se você estiver em algum lugar fora do ponto de singularidade e tentando manter o objeto um pouco mais longe contra o colapso gravitacional, nada resultará disso; colapso é inevitável. E para superar essa limitação, para iniciantes, você precisa de uma estrela com mais massa do que 20-40 massas solares.


Uma estrela massiva no final de sua vida, com seu núcleo de ferro entrando em colapso e formando um buraco negro

Quando o combustível se esgota em seu núcleo, o centro cai para dentro sob sua própria gravidade e cria uma supernova catastrófica, derrubando e destruindo as camadas externas e deixando um buraco negro no centro. Essas BHs de "massa estelar", cuja massa é da ordem de 10 massas solares, crescem com o tempo, absorvendo qualquer matéria ou energia que se aventurou a chegar muito perto delas. Mesmo se você cair em BH na velocidade da luz, não poderá sair. Devido à curvatura extremamente forte do espaço interno, você inevitavelmente cairá na singularidade no centro. Depois disso, você apenas adiciona energia BH.


Buraco negro absorve disco de acreção

Do lado de fora, não se pode dizer se este BH era originalmente feito de prótons e elétrons, nêutrons, matéria escura ou mesmo antimatéria. Em BH, até onde sabemos, apenas três propriedades podem ser medidas: massa, carga elétrica e momento angular, ou seja, sua velocidade de rotação. A matéria escura, tanto quanto sabemos, não possui carga elétrica, nem números quânticos ( carga colorida , número de bárions , número de lepton , etc.) que poderiam ser preservados ou destruídos de acordo com o paradoxo do desaparecimento de informações em BH.



Devido ao princípio da formação de BH (devido a explosões de estrelas supermassivas), pela primeira vez após sua ocorrência, elas são quase 100% compostas de matéria normal (bariônica) e 0% de matéria escura. Lembre-se de que a matéria escura interage apenas através da gravidade, em contraste com a matéria normal, interagindo através de interações gravitacionais, fracas, eletromagnéticas e fortes. Sim, é claro, a matéria escura em grandes galáxias e aglomerados é cerca de cinco vezes mais que o normal, mas isso se resume a um halo galáctico gigante. Em uma galáxia comum, esse halo se estende por vários milhões de anos-luz, esfericamente, em todas as direções, e a matéria normal é concentrada em um disco com um volume de 0,01% de matéria escura.


Matéria normal no disco central e matéria escura no halo azul de uma galáxia típica

As BHs geralmente se formam dentro da galáxia, onde a matéria normal domina a escuridão. Considere a seção de espaço em que nós e nosso Sol estamos localizados. Se você circular com uma esfera de raio 100 AU Ao redor do sistema solar, incluiremos todos os planetas, luas, asteróides e quase todo o cinturão de Kuiper, mas a massa bariônica - matéria normal - do que estará dentro será representada principalmente pela massa do Sol e será de cerca de 2 x 10 ³⁰ kg. Por outro lado, a quantidade total de matéria escura nesta esfera será de 1 x 10 ¹⁹ kg, ou seja, cerca de 0,0000000005% da massa de matéria normal da mesma área, que é aproximadamente igual à massa de um asteróide modesto como o planeta menor Juno, com cerca de 200 km de diâmetro.



Com o tempo, a matéria escura e a matéria normal colidirão com esse buraco negro e as absorverá, aumentando sua massa. A maior parte do crescimento de massa de BH deve-se à matéria normal, e não à matéria escura, embora, em algum momento, quatro bilhões de anos depois, a taxa de decaimento de BH ainda exceda sua taxa de crescimento. A radiação Hawking levará à emissão de partículas e fótons fora do horizonte de eventos dos buracos negros, preservando toda a energia, carga e momento angular dos interiores de BH. Esse processo pode levar de 10 ⁶⁷ anos (para uma BH com massa solar) a 10 ¹⁰⁰ anos (para as BHs mais massivas, cuja massa é bilhões de vezes mais que a solar), mas o resultado é uma mistura de tudo o que é possível.



Isso significa que BH também emitirá matéria escura, mas isso não depende em absoluto se uma BH em particular absorveu a matéria escura. O buraco negro lembra apenas um pequeno conjunto de números quânticos que caíram nele, e a quantidade de matéria escura que caiu nele não está incluída neste conjunto. Sair dela não é nada do que entrou!


Um exemplo de radiação Hawking saindo de BH de áreas próximas ao horizonte de eventos (apenas uma ilustração qualitativa!)

Então, no final, a matéria escura é apenas outra fonte de alimento para BH, e não é muito boa. Nem sequer é uma fonte alimentar particularmente interessante. Os resultados de entrar na BH da matéria escura não difeririam dos resultados do experimento em que você brilharia na BH com uma lanterna e absorveria seus fótons. Basta derramar nele, de acordo com a equação E = mc ² , tanta energia quanto a matéria escura caiu em termos de massa. Não há outras cargas na matéria escura e, portanto, exceto pelo momento angular adquirido devido a uma queda fora do centro da BH (que também se aplica aos fótons), ela não terá efeito na BH.