Esistono diversi modi per creare un buco nero, dal collasso del nucleo di una supernova alla fusione di stelle di neutroni con il collasso di un'enorme quantità di materia. Se prendiamo il limite inferiore, i buchi neri possono avere da 2,5 a 3 masse solari, ma al limite superiore i buchi neri supermassicci possono superare i 10 miliardi di masse solari. Di solito si trovano nei centri delle galassie. Quanto sono stabili? Quale buco nero si prosciugherà per primo: grande e vorace o piccolo?
Esiste una dimensione critica per la stabilità di un buco nero? Un buco nero del peso di 1012 chilogrammi può essere stabile per diversi miliardi di anni. Ma un buco nero nella gamma di massa 105 può esplodere in un secondo e sicuramente non sarà stabile. Dov'è la media aurea, alla quale il flusso di materia sarà uguale alla radiazione di Hawking?
Stabilità dei buchi neri
La prima cosa da cui partire è la stabilità del buco nero stesso. Qualsiasi altro oggetto nell'Universo, astrofisico o altro, ha forze che lo tengono insieme contro l'Universo che sta cercando di farlo a pezzi. L'atomo di idrogeno è una struttura forte; un singolo fotone ultravioletto può distruggerlo ionizzando un elettrone. Per distruggere un nucleo atomico, hai bisogno di una particella di energia superiore come un raggio cosmico, un protone accelerato o un fotone di raggi gamma.
Ma per strutture di grandi dimensioni come pianeti, stelle o persino galassie, le forze gravitazionali che le trattengono sono enormi. Di norma, per rompere una tale megastruttura, è necessaria una reazione termonucleare o un effetto di gravità incredibilmente forte dall'esterno, ad esempio da una stella che passa, un buco nero o una galassia.
Nel caso dei buchi neri, tuttavia, non è così. La massa del buco nero, invece di essere distribuita sul volume, si contrae in una singolarità. Per un buco nero non rotante, questo è un punto con dimensione zero. Un buco nero rotante non è molto meglio: un anello unidimensionale infinitamente sottile.
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Inoltre, tutto il contenuto di massa-energia di un buco nero è all'interno dell'orizzonte degli eventi. I buchi neri sono gli unici oggetti nell'Universo che hanno un orizzonte degli eventi: un confine oltre il quale è impossibile tornare. Nessuna accelerazione, e quindi nessuna forza, sarà in grado di trascinare materia, massa o energia dall'orizzonte degli eventi oltre i suoi limiti.
Ciò potrebbe significare che i buchi neri, formati in ogni modo possibile, possono solo crescere e non verranno mai distrutti. E crescono, inesorabilmente e senza sosta. Osserviamo tutti i tipi di fenomeni nell'Universo, come:
- quasar;
- blazar;
- nuclei galattici attivi;
- microquasar;
- stelle che non emettono luce;
- Raggi X e esplosioni radio dai centri galattici;
che ci portano ai buchi neri. Determinando le loro masse, proviamo a scoprire le dimensioni fisiche dei loro orizzonti degli eventi. Tutto ciò che lo urta, lo attraversa o addirittura lo tocca cadrà inevitabilmente all'interno. E poi, grazie alla conservazione dell'energia, aumenterà anche la massa del buco nero.
Questo processo si verifica con ogni buco nero a noi noto. Materiale proveniente da altre stelle, polvere cosmica, materia interstellare, nubi di gas, persino radiazioni e neutrini lasciati dal Big Bang vengono tutti inviati lì. Qualsiasi materia in collisione con un buco nero aumenta la sua massa. La crescita dei buchi neri dipende dalla densità della materia e dell'energia che circonda il buco nero; il mostro al centro della nostra Via Lattea cresce al ritmo di 1 massa solare ogni 3000 anni; il buco nero al centro della galassia Sombrero sta crescendo a una velocità di 1 massa solare in 20 anni.
Più grande e pesante è il tuo buco nero, in media, più velocemente cresce, a seconda del materiale che incontra. Il suo tasso di crescita rallenta nel tempo, ma poiché l'universo ha solo circa 13,8 miliardi di anni, i buchi neri crescono magnificamente.
D'altra parte, i buchi neri non crescono solo nel tempo; c'è anche un processo della loro evaporazione: la radiazione di Hawking. Ciò è dovuto al fatto che lo spazio è fortemente curvo vicino all'orizzonte degli eventi, ma si raddrizza con la distanza. Se sei a grande distanza, puoi vedere una piccola quantità di radiazione emessa dalla regione curva vicino all'orizzonte degli eventi, a causa del fatto che il vuoto quantistico ha proprietà diverse in diverse regioni curve dello spazio.
Il risultato finale è che i buchi neri emettono radiazioni termiche da un corpo nero (principalmente sotto forma di fotoni) in tutte le direzioni intorno a loro, in un volume di spazio che fondamentalmente racchiude una decina di raggi di Schwarzschild nella posizione del buco nero. E può sembrare strano, ma più piccolo è il buco nero, più velocemente evapora.
La radiazione di Hawking è un processo incredibilmente lento in cui un buco nero con la massa del nostro Sole evaporerà dopo 10 anni (alla potenza di 64); il buco al centro della nostra Via Lattea - in 10 (alla potenza di 87) anni, e il più massiccio dell'Universo - in 10 (alla potenza di 100) anni. Per calcolare il tempo di evaporazione di un buco nero con una formula semplice, è necessario prendere l'intervallo di tempo del nostro Sole e moltiplicarlo per (massa del buco nero / massa del Sole).
da cui segue che un buco nero con la massa della Terra vivrà per 10 (alla potenza di 47) anni; un buco nero con la massa della Grande Piramide a Giza (6 milioni di tonnellate) - circa mille anni; con la massa dell'Empire State Building - circa un mese; con la massa di una persona comune - un picosecondo. Meno massa, più velocemente evapora il buco nero.
Per quanto ne sappiamo, l'universo potrebbe contenere buchi neri di dimensioni inimmaginabilmente diverse. Se fosse pieno di buchi neri leggeri - fino a un miliardo di tonnellate - sarebbero tutti evaporati entro oggi Non ci sono prove che ci siano buchi neri con una massa tra questi polmoni e quelli che sono nati nel processo di fusione delle stelle di neutroni - in teoria, essi avere una massa di 2,5 solari. Al di sopra di questi limiti, gli studi ai raggi X indicano l'esistenza di buchi neri nell'intervallo di massa solare 10-20; LIGO ha mostrato un buco nero tra 8 e 62 masse solari; trova anche buchi neri supermassicci in tutto l'universo.
Oggi, tutti i buchi neri esistenti stanno guadagnando materia più velocemente di quanto stanno perdendo a causa delle radiazioni di Hawking. Un buco nero con massa solare perde circa 10 J (alla potenza di -28) J ogni secondo. Ma se consideri che:
- anche un fotone CMB ha un milione di volte più energia;
- 411 di questi fotoni per centimetro cubo di spazio sono rimasti dopo il Big Bang;
- si muovono alla velocità della luce, scontrandosi 10 trilioni di volte al secondo in ogni centimetro cubo;
anche un buco nero isolato in profondità nello spazio intergalattico aspetterà fino a quando l'universo non sarà maturato fino a 10 anni (fino a una potenza di 20) - un miliardo di volte la sua età attuale - prima che il tasso di crescita del buco nero scenda al di sotto del tasso di radiazione di Hawking.
Ma facciamo un gioco. Supponi di vivere nello spazio intergalattico, lontano dalla materia ordinaria e dalla materia oscura, lontano da tutti i raggi cosmici, dalle radiazioni stellari e dai neutrini, e hai solo fotoni del Big Bang con cui chattare. Quanto deve essere grande il tuo buco nero perché il tasso di evaporazione (radiazione di Hawking) e l'assorbimento dei fotoni da parte del tuo buco nero (crescita) si equilibrino a vicenda?
La risposta si ottiene nella regione di 10 (alla potenza di 23) kg, cioè approssimativamente con la massa del pianeta Mercurio. Se Mercurio fosse un buco nero, avrebbe un diametro di mezzo millimetro e irradierebbe circa 100 trilioni di volte più velocemente di un buco nero di massa solare. È con questa massa nel nostro universo che un buco nero assorbirebbe tanta radiazione a microonde quanta ne perde nel processo di radiazione di Hawking.
Ma se vuoi un buco nero realistico, non puoi isolarlo dalla materia rimanente nell'universo. I buchi neri, anche se espulsi dalle galassie, volano ancora attraverso il mezzo intergalattico, entrando in collisione con i raggi cosmici, la luce delle stelle, i neutrini, la materia oscura e tutti i tipi di particelle, massicce e prive di massa. Lo sfondo cosmico a microonde è inevitabile ovunque tu vada. I buchi neri consumano costantemente materia ed energia e crescono in massa e dimensioni. Sì, emettono anche energia, ma affinché tutti i buchi neri nel nostro Universo inizino a esaurirsi più velocemente di quanto crescano, ci vorranno circa 100 quintilioni di anni.
E l'evaporazione finale richiederà ancora di più.
Ilya Khel
