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Wann werden schwarze Löcher instabil?

Wann werden schwarze Löcher instabil?

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Der simulierte Zerfall eines Schwarzen Lochs führt nicht nur zur Emission von Strahlung, sondern auch zum Zerfall der zentral umlaufenden Masse, die die meisten Objekte stabil hält. Schwarze Löcher sind keine statischen Objekte, sondern verändern sich mit der Zeit.EU kommuniziert Wissenschaft

Es gibt viele Möglichkeiten, die schwarzen Löcher zu schaffen, die wir im Universum kennen, von Supernovae mit Kernkollaps über das Verschmelzen von Neutronensternen bis zum direkten Zusammenbruch gewaltiger Mengen an Materie. Am kleinsten Ende kennen wir schwarze Löcher, die nur das 2,5- bis 3-fache der Masse unserer Sonne sein können, während sich am größten Ende supermassive Löcher mit mehr als 10 Milliarden Sonnenmassen in den Zentren von Galaxien befinden. Aber ist es das? Und wie stabil sind Schwarze Löcher unterschiedlicher Masse? Das will Nyccolas Emanuel wissen, fragt er:

Gibt es eine kritische Größe für die Stabilität von Schwarzen Löchern? [A] 1012 kg [black hole] ist bereits seit einigen Milliarden Jahren stabil. A [black hole] im Bereich von 105 kg, könnte in einer Sekunde explodieren, also definitiv nicht stabil … Ich vermute, es gibt eine kritische Masse für eine [black hole] Wo wird der Fluss der gewonnenen Materie der Hawking-Verdampfung gleichkommen?

Hier ist viel los, also packen wir alles aus.

Schwarze Löcher verschlingen alles, was ihnen begegnet. Obwohl dies eine großartige Möglichkeit für das Wachsen von Schwarzen Löchern ist, sorgt die Hawking-Strahlung auch dafür, dass Schwarze Löcher an Masse verlieren. Sich abzuleiten, wenn einer den anderen besiegt, ist keine triviale Aufgabe.Röntgen: NASA / CXC / UNH / D. Lin et al., Optisch: CFHT, Illustration: NASA / CXC / M.Weiss

Das erste, was man anfangen kann, ist die Stabilität eines Schwarzen Lochs. Für jedes andere Objekt im Universum, ob astrophysikalisch oder anderweitig, gibt es Kräfte, die es gegen alles halten, was das Universum tun könnte, um es zu zerreißen. Ein Wasserstoffatom ist eine zäh zusammengehaltene Struktur; Ein einzelnes ultraviolettes Photon kann es zerstören, indem es sein Elektron ionisiert. Ein Atomkern benötigt ein Teilchen mit viel höherer Energie, um es auseinander zu schleudern, wie ein kosmischer Strahl, ein beschleunigtes Proton oder ein Gammastrahlenphoton.

Aber für größere Strukturen wie Planeten, Sterne oder sogar Galaxien sind die Gravitationskräfte, die sie zusammenhalten, enorm. Normalerweise braucht es entweder eine unkontrollierte Fusionsreaktion oder eine unglaublich starke Anziehungskraft von außen – zum Beispiel von einem vorbeiziehenden Stern, einem Schwarzen Loch oder einer Galaxie -, um eine solche Megastruktur zu zerreißen.

NGC 3561A und NGC 3561B sind kollidiert und haben riesige Sternschwänze, Federn und sogar "Auswurf" produziert, die sich zu winzigen "neuen" Galaxien verdichten. Heiße junge Sterne leuchten blau, wo eine verjüngte Sternentstehung stattfindet. Kräfte, wie die zwischen Galaxien, können Sterne, Planeten oder sogar ganze Galaxien zerreißen. Schwarze Löcher bleiben jedoch bestehen.Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universität von Arizona

Für Schwarze Löcher ist jedoch etwas grundlegend anders. Anstatt ihre Masse über ein Volumen zu verteilen, wird sie zu einer Singularität komprimiert. Für ein nicht rotierendes schwarzes Loch ist dies nur ein einzelner, nulldimensionaler Punkt. (Für rotierende ist es nicht viel besser: ein unendlich dünner, eindimensionaler Ring.)

Darüber hinaus sind alle Massen und Energie enthaltenden Inhalte eines Schwarzen Lochs in einem Ereignishorizont enthalten. Schwarze Löcher sind die einzigen Objekte im Universum, die einen Ereignishorizont enthalten: Eine Grenze, an der Sie, wenn Sie darin versinken, nicht entkommen kann. Keine Beschleunigung und daher auch keine Kraft, egal wie stark, wird jemals Materie, Masse oder Energie aus dem Ereignishorizont nach außen in das Universum jenseits ziehen können.

Künstlerische Darstellung des aktiven galaktischen Kerns. Das supermassive Schwarze Loch in der Mitte der Akkretionsscheibe schickt einen engen, energiereichen Materiestrahl senkrecht zur Scheibe in den Weltraum. Ein Blazar, der etwa 4 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, ist der Ursprung vieler kosmischer Strahlen und Neutrinos mit der höchsten Energie. Nur Materie von außerhalb des Schwarzen Lochs kann das Schwarze Loch verlassen. Materie aus dem Ereignishorizont kann jemals entkommen.DESY, Science Communication Lab

Dies kann bedeuten, dass Schwarze Löcher, wenn Sie sie mit allen Mitteln geformt haben, nur wachsen und niemals zerstört werden können. Tatsächlich wachsen sie, und das unerbittlich. Wir beobachten alle Arten von Phänomenen im Universum, wie zum Beispiel:

  • Quasare
  • Blazare,
  • aktive galaktische Kerne,
  • microquasars,
  • Sterne umkreisen große Massen, die keinerlei Licht ausstrahlen,
  • und Abfackeln, Röntgen- und Radioemissionen von galaktischen Zentren,

Das heißt, alle werden von schwarzen Löchern angetrieben. Indem wir auf ihre Massen schließen, können wir die physischen Größen ihrer Ereignishorizonte kennen. Alles, was mit ihm kollidiert, dringt hinein oder gar weidet, wird unweigerlich in das Innere fallen. Und dann muss es durch die Energieerhaltung zwangsläufig die Masse des Schwarzen Lochs erhöhen.

Ein Beispiel für ein aktives schwarzes Loch, das Materie anreichert und einen Teil davon in zwei senkrechten Strahlen nach außen beschleunigt, ist eine hervorragende Beschreibung der Funktionsweise von Quasaren. Die Materie, die in ein Schwarzes Loch jeglicher Art fällt, wird für zusätzliches Wachstum in Bezug auf Masse und Größe des Schwarzen Lochs verantwortlich sein.Mark A. Garlick

Dies ist ein Prozess, der im Durchschnitt für jedes heute bekannte Schwarze Loch im Universum abläuft. Material von anderen Sternen, von kosmischem Staub, von interstellarer Materie, Gaswolken oder sogar von der Strahlung und Neutrinos, die vom Urknall übrig geblieben sind, kann dazu beitragen. Intervenierende dunkle Materie kollidiert mit dem Schwarzen Loch und erhöht auch deren Masse. Alles in allem wachsen Schwarze Löcher in Abhängigkeit von der sie umgebenden Materie und Energiedichte. das Monster im Zentrum unserer Milchstraße wächst alle 3.000 Jahre um etwa eine Sonnenmasse; Das Schwarze Loch im Zentrum der Sombrero-Galaxie wächst alle zwei Jahrzehnte mit einer Sonnenmasse.

Je größer und schwerer Ihr schwarzes Loch ist, desto schneller wächst es, abhängig von dem anderen Material, auf das es trifft. Mit der Zeit wird die Wachstumsrate sinken, aber mit einem Universum, das erst 13,8 Milliarden Jahre alt ist, wachsen sie erstaunlich weiter.

Wenn die Horizonte eines Ereignisses real sind, würde ein Stern, der in ein zentrales schwarzes Loch fällt, einfach verschlungen und keine Spur von der Begegnung hinterlassen. Dieser Prozess, in dem schwarze Löcher wachsen, weil Materie mit ihrem Ereignishorizont kollidiert, kann nicht verhindert werden.Mark A. Garlick / CfA

Auf der anderen Seite wachsen Schwarze Löcher nicht nur mit der Zeit. Es gibt auch einen Prozess, durch den sie verdampfen: Hawkingstrahlung. Dies war das Thema der letzten Woche von Ask Ethan, und zwar aufgrund der Tatsache, dass der Raum nahe am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs stark gekrümmt ist, jedoch weiter entfernt. Wenn Sie als Beobachter weit entfernt sind, wird eine nicht zu vernachlässigende Strahlungsmenge aus dem gekrümmten Bereich in der Nähe des Ereignishorizonts emittiert, da das Quantenvakuum in unterschiedlich gekrümmten Raumbereichen unterschiedliche Eigenschaften aufweist .

Das Nettoergebnis ist, dass schwarze Löcher aufgewickelt werden, die thermische Strahlung (meist in Form von Photonen) in alle Richtungen um sich herum emittieren, und zwar über ein Raumvolumen, das meist etwa zehn Schwarzschild-Radien des Ortes des schwarzen Lochs einschließt. Und vielleicht ist das schwarze Loch um so schneller, je schwächer es ist, umso schneller verdampft es.

Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist eine Kugel- oder Kugelregion, aus der nichts, auch nicht das Licht, entweichen kann. Außerhalb des Ereignishorizonts wird jedoch prognostiziert, dass das Schwarze Loch Strahlung abgibt. Hawkings Arbeit von 1974 war die erste, die dies demonstrierte, und es war wohl seine größte wissenschaftliche Leistung.NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al .; ESA

Die Hawkingstrahlung ist ein unglaublich langsamer Prozess, bei dem ein schwarzes Loch, das die Masse unserer Sonne benötigt, 10 beträgt64 Jahre zu verdampfen; der im Zentrum der Milchstraße würde 10 benötigen87 Jahre, und die massivsten im Universum könnten bis zu 10 Jahre dauern100 Jahre. Im Allgemeinen ist eine einfache Formel, mit der Sie die Verdampfungszeit für ein schwarzes Loch berechnen können, die Zeitskala für unsere Sonne und multipliziert sie mit:

(Masse des Schwarzen Lochs / Masse der Sonne)3.

was bedeutet, dass ein schwarzes Loch der Masse der Erde überleben würde 1047 Jahre; Die Masse der Großen Pyramide in Gizeh (~ 6 Millionen Tonnen) würde ungefähr tausend Jahre lang bestehen bleiben. die Masse des Empire State Buildings würde etwa einen Monat dauern; die Masse eines durchschnittlichen Menschen würde knapp unter einer Pikosekunde dauern. Wenn Ihre Masse abnimmt, verdunsten Sie schneller.

Der Zerfall eines Schwarzen Lochs durch Hawking-Strahlung sollte für die meiste Lebensdauer beobachtbare Signaturen von Photonen erzeugen. Die Verdampfungsrate und die Energie der Hawking-Strahlung bedeuten jedoch, dass es im Endstadium explizite Vorhersagen für die Partikel und Antiteilchen gibt, die einzigartig sind. Ein schwarzes Loch von menschlicher Masse würde in nur einer Pikosekunde verdampfen.ortega-bilder / pixabay

Bei allem, was wir wissen, könnte das Universum schwarze Löcher mit einem außerordentlich breiten Spektrum an Massen enthalten. Wenn es mit leichten geboren würde – irgendetwas unter einer Milliarde Tonnen -, wären diese alle bis heute verflogen. Es gibt keine Anzeichen für schwarze Löcher, die schwerer sind als die, bis Sie zu den durch Neutronenstern-Neutronensternfusionen gebildeten Löchern gelangen, die theoretisch bei etwa 2,5 Sonnenmassen auftreten. Darüber hinaus deuten Röntgenuntersuchungen auf das Vorhandensein von schwarzen Löchern im Bereich von ~ 10-20 Sonnenmassen hin; LIGO hat uns schwarze Löcher zwischen 8 und ungefähr 62 Sonnenmassen gezeigt. Astronomiestudien offenbaren die supermassiven Schwarzen Löcher, die im ganzen Universum zu finden sind.

Es gibt eine Vielzahl von schwarzen Löchern, von denen wir wissen, aber auch eine Vielzahl von Studien, die schwarze Löcher ausschließen, die einen Großteil der dunklen Materie in einer Vielzahl von Regimen bilden.

Einschränkungen für dunkle Materie aus primordialen schwarzen Löchern. Es gibt eine überwältigende Anzahl von Beweisen, die darauf hindeuten, dass es im frühen Universum keine große Population schwarzer Löcher gibt, die unsere dunkle Materie ausmachen.Abb. 1 von Fabio Capela, Maxim Pshirkov und Peter Tinyakov (2013) über http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf

Heutzutage gewinnen alle schwarzen Löcher, die tatsächlich physisch vorhanden sind, eine weitaus größere Materie als Hawkingstrahlung, wodurch sie an Masse verlieren. Für ein schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse verliert es etwa 10-28 Joule Energie jede Sekunde. Bedenkt, dass:

  • sogar ein einzelnes Photon aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund hat etwa eine Million Mal diese Energie,
  • pro Kubikzentimeter Raum gibt es etwa 411 solcher Photonen (vom Urknall übrig geblieben),
  • und sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, was bedeutet, dass ungefähr 10 Billionen Photonen pro Sekunde mit jedem Quadratzentimeter Fläche kollidieren, die ein Objekt einnimmt.

Sogar ein isoliertes schwarzes Loch in den Tiefen des intergalaktischen Raums müsste warten, bis das Universum um 10 herum war20 Jahre alt – mehr als eine Milliarde Mal das aktuelle Alter -, bevor das Wachstum des Schwarzen Lochs unter die Rate der Hawking-Strahlung fällt.

Der Kern der Galaxie NGC 4261 zeigt wie der Kern vieler Galaxien Anzeichen eines supermassiven Schwarzen Lochs sowohl in Infrarot- als auch in Röntgenbeobachtungen. Wenn Materie hineinfällt, wächst das Schwarze Loch weiter.NASA / Hubble und ESA

Aber lass uns das Spiel spielen. Angenommen, Sie lebten im intergalaktischen Raum, fernab von aller normalen Materie und dunkler Materie, weg von allen kosmischen Strahlen und Sternstrahlen und Neutrinos, und hatten nur die vom Urknall übrig gebliebenen Photonen, um damit zu kämpfen. Wie groß müsste Ihr schwarzes Loch sein, damit sich die Hawking-Strahlung (Verdampfung) und die Photonenabsorption durch Ihr schwarzes Loch (Wachstum) ausgleichen?

Die Antwort lautet etwa 1023 kg oder ungefähr die Masse des Planeten Merkur. Wenn es ein schwarzes Loch wäre, hätte Quecksilber einen Durchmesser von etwa einem halben Millimeter und würde etwa 100 Billionen Mal so schnell strahlen wie ein schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse. Das ist die Masse im heutigen Universum, die ein schwarzes Loch braucht, um so viel kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu absorbieren, wie sie in der Hawking-Strahlung emittieren würde.

Wenn ein schwarzes Loch in Masse und Radius schrumpft, wird die von ihm ausgehende Hawking-Strahlung in Temperatur und Leistung immer größer. Wenn jedoch die Hawking-Strahlungsrate die Wachstumsrate übersteigt, werden in unserem Kosmos keine Sterne mehr gebrannt.NASA

Für ein realistisches schwarzes Loch können Sie es nicht von der verbleibenden Materie im Universum isolieren. Schwarze Löcher fliegen, auch wenn sie aus Galaxien herausgeschleudert werden, durch das intergalaktische Medium und treffen auf kosmische Strahlung, Sternenlicht, Neutrinos, dunkle Materie und alle möglichen anderen massiven und masselosen Teilchen. Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist unvermeidlich, egal wo Sie sich befinden. Wenn Sie ein schwarzes Loch sind, absorbieren Sie ständig Materie und Energie und wachsen dadurch an Masse und Größe. Ja, Sie strahlen auch Energie in Form von Hawking-Strahlung ab, aber für alle Schwarzen Löcher, die in unserem Universum wirklich existieren, wird es mindestens 100 Quintillionen Jahre dauern, bis die Wachstumsrate unter die Strahlungsrate fällt und viel, viel länger für sie, um endlich zu verdampfen.

Schwarze Löcher werden irgendwann instabil und verschwinden in nichts als Strahlung. Wenn wir jedoch kein sehr massearmes Loch schaffen, wird es im Universum nichts anderes geben, wenn sie gehen.


Senden Sie uns Ihre Ask Ethan-Fragen an gmail dot com!

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Der simulierte Zerfall eines Schwarzen Lochs führt nicht nur zur Emission von Strahlung, sondern auch zum Zerfall der zentral umlaufenden Masse, die die meisten Objekte stabil hält. Schwarze Löcher sind keine statischen Objekte, sondern verändern sich mit der Zeit.EU kommuniziert Wissenschaft

Es gibt viele Möglichkeiten, die schwarzen Löcher zu schaffen, die wir im Universum kennen, von Supernovae mit Kernkollaps über das Verschmelzen von Neutronensternen bis zum direkten Zusammenbruch gewaltiger Mengen an Materie. Am kleinsten Ende kennen wir schwarze Löcher, die nur das 2,5- bis 3-fache der Masse unserer Sonne sein können, während sich am größten Ende supermassive Löcher mit mehr als 10 Milliarden Sonnenmassen in den Zentren von Galaxien befinden. Aber ist es das? Und wie stabil sind Schwarze Löcher unterschiedlicher Masse? Das will Nyccolas Emanuel wissen, fragt er:

Gibt es eine kritische Größe für die Stabilität von Schwarzen Löchern? [A] 1012 kg [black hole] ist bereits seit einigen Milliarden Jahren stabil. A [black hole] im Bereich von 105 kg, könnte in einer Sekunde explodieren, also definitiv nicht stabil … Ich vermute, es gibt eine kritische Masse für eine [black hole] Wo wird der Fluss der gewonnenen Materie der Hawking-Verdampfung gleichkommen?

Hier ist viel los, also packen wir alles aus.

Schwarze Löcher verschlingen alles, was ihnen begegnet. Obwohl dies eine großartige Möglichkeit für das Wachsen von Schwarzen Löchern ist, sorgt die Hawking-Strahlung auch dafür, dass Schwarze Löcher an Masse verlieren. Sich abzuleiten, wenn einer den anderen besiegt, ist keine triviale Aufgabe.Röntgen: NASA / CXC / UNH / D. Lin et al., Optisch: CFHT, Illustration: NASA / CXC / M.Weiss

Das erste, was man anfangen kann, ist die Stabilität eines Schwarzen Lochs. Für jedes andere Objekt im Universum, ob astrophysikalisch oder anderweitig, gibt es Kräfte, die es gegen alles halten, was das Universum tun könnte, um es zu zerreißen. Ein Wasserstoffatom ist eine zäh zusammengehaltene Struktur; Ein einzelnes ultraviolettes Photon kann es zerstören, indem es sein Elektron ionisiert. Ein Atomkern benötigt ein Teilchen mit viel höherer Energie, um es auseinander zu schleudern, wie ein kosmischer Strahl, ein beschleunigtes Proton oder ein Gammastrahlenphoton.

Aber für größere Strukturen wie Planeten, Sterne oder sogar Galaxien sind die Gravitationskräfte, die sie zusammenhalten, enorm. Normalerweise braucht es entweder eine unkontrollierte Fusionsreaktion oder eine unglaublich starke Anziehungskraft von außen – zum Beispiel von einem vorbeiziehenden Stern, einem Schwarzen Loch oder einer Galaxie -, um eine solche Megastruktur zu zerreißen.

NGC 3561A und NGC 3561B sind kollidiert und haben riesige Sternschwänze, Federn und sogar "Auswurf" produziert, die sich zu winzigen "neuen" Galaxien verdichten. Heiße junge Sterne leuchten blau, wo eine verjüngte Sternentstehung stattfindet. Kräfte, wie die zwischen Galaxien, können Sterne, Planeten oder sogar ganze Galaxien zerreißen. Schwarze Löcher bleiben jedoch bestehen.Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universität von Arizona

Für Schwarze Löcher ist jedoch etwas grundlegend anders. Anstatt ihre Masse über ein Volumen zu verteilen, wird sie zu einer Singularität komprimiert. Für ein nicht rotierendes schwarzes Loch ist dies nur ein einzelner, nulldimensionaler Punkt. (Für rotierende ist es nicht viel besser: ein unendlich dünner, eindimensionaler Ring.)

Darüber hinaus sind alle Massen und Energie enthaltenden Inhalte eines Schwarzen Lochs in einem Ereignishorizont enthalten. Schwarze Löcher sind die einzigen Objekte im Universum, die einen Ereignishorizont enthalten: Eine Grenze, an der Sie, wenn Sie darin versinken, nicht entkommen kann. Keine Beschleunigung und daher auch keine Kraft, egal wie stark, wird jemals Materie, Masse oder Energie aus dem Ereignishorizont nach außen in das Universum jenseits ziehen können.

Künstlerische Darstellung des aktiven galaktischen Kerns. Das supermassive Schwarze Loch in der Mitte der Akkretionsscheibe schickt einen engen, energiereichen Materiestrahl senkrecht zur Scheibe in den Weltraum. Ein Blazar, der etwa 4 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, ist der Ursprung vieler kosmischer Strahlen und Neutrinos mit der höchsten Energie. Nur Materie von außerhalb des Schwarzen Lochs kann das Schwarze Loch verlassen. Materie aus dem Ereignishorizont kann jemals entkommen.DESY, Science Communication Lab

Dies kann bedeuten, dass Schwarze Löcher, wenn Sie sie mit allen Mitteln geformt haben, nur wachsen und niemals zerstört werden können. Tatsächlich wachsen sie, und das unerbittlich. Wir beobachten alle Arten von Phänomenen im Universum, wie zum Beispiel:

  • Quasare
  • Blazare,
  • aktive galaktische Kerne,
  • microquasars,
  • Sterne umkreisen große Massen, die keinerlei Licht ausstrahlen,
  • und Abfackeln, Röntgen- und Radioemissionen von galaktischen Zentren,

Das heißt, alle werden von schwarzen Löchern angetrieben. Indem wir auf ihre Massen schließen, können wir die physischen Größen ihrer Ereignishorizonte kennen. Alles, was mit ihm kollidiert, dringt hinein oder gar weidet, wird unweigerlich in das Innere fallen. Und dann muss es durch die Energieerhaltung zwangsläufig die Masse des Schwarzen Lochs erhöhen.

Ein Beispiel für ein aktives schwarzes Loch, das Materie anreichert und einen Teil davon in zwei senkrechten Strahlen nach außen beschleunigt, ist eine hervorragende Beschreibung der Funktionsweise von Quasaren. Die Materie, die in ein Schwarzes Loch jeglicher Art fällt, wird für zusätzliches Wachstum in Bezug auf Masse und Größe des Schwarzen Lochs verantwortlich sein.Mark A. Garlick

Dies ist ein Prozess, der im Durchschnitt für jedes heute bekannte Schwarze Loch im Universum abläuft. Material von anderen Sternen, von kosmischem Staub, von interstellarer Materie, Gaswolken oder sogar von der Strahlung und Neutrinos, die vom Urknall übrig geblieben sind, kann dazu beitragen. Intervenierende dunkle Materie kollidiert mit dem Schwarzen Loch und erhöht auch deren Masse. Alles in allem wachsen Schwarze Löcher in Abhängigkeit von der sie umgebenden Materie und Energiedichte. das Monster im Zentrum unserer Milchstraße wächst alle 3.000 Jahre um etwa eine Sonnenmasse; Das Schwarze Loch im Zentrum der Sombrero-Galaxie wächst alle zwei Jahrzehnte mit einer Sonnenmasse.

Je größer und schwerer Ihr schwarzes Loch ist, desto schneller wächst es, abhängig von dem anderen Material, auf das es trifft. Mit der Zeit wird die Wachstumsrate sinken, aber mit einem Universum, das erst 13,8 Milliarden Jahre alt ist, wachsen sie erstaunlich weiter.

Wenn die Horizonte eines Ereignisses real sind, würde ein Stern, der in ein zentrales schwarzes Loch fällt, einfach verschlungen und keine Spur von der Begegnung hinterlassen. Dieser Prozess, in dem schwarze Löcher wachsen, weil Materie mit ihrem Ereignishorizont kollidiert, kann nicht verhindert werden.Mark A. Garlick / CfA

Auf der anderen Seite wachsen Schwarze Löcher nicht nur mit der Zeit. Es gibt auch einen Prozess, durch den sie verdampfen: Hawkingstrahlung. Dies war das Thema der letzten Woche von Ask Ethan, und zwar aufgrund der Tatsache, dass der Raum nahe am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs stark gekrümmt ist, jedoch weiter entfernt. Wenn Sie als Beobachter weit entfernt sind, wird eine nicht zu vernachlässigende Strahlungsmenge aus dem gekrümmten Bereich in der Nähe des Ereignishorizonts emittiert, da das Quantenvakuum in unterschiedlich gekrümmten Raumbereichen unterschiedliche Eigenschaften aufweist .

Das Nettoergebnis ist, dass schwarze Löcher aufgewickelt werden, die thermische Strahlung (meist in Form von Photonen) in alle Richtungen um sich herum emittieren, und zwar über ein Raumvolumen, das meist etwa zehn Schwarzschild-Radien des Ortes des schwarzen Lochs einschließt. Und vielleicht ist das schwarze Loch um so schneller, je schwächer es ist, umso schneller verdampft es.

Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist eine Kugel- oder Kugelregion, aus der nichts, auch nicht das Licht, entweichen kann. Außerhalb des Ereignishorizonts wird jedoch prognostiziert, dass das Schwarze Loch Strahlung abgibt. Hawkings Arbeit von 1974 war die erste, die dies demonstrierte, und es war wohl seine größte wissenschaftliche Leistung.NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al .; ESA

Die Hawkingstrahlung ist ein unglaublich langsamer Prozess, bei dem ein schwarzes Loch, das die Masse unserer Sonne benötigt, 10 beträgt64 Jahre zu verdampfen; der im Zentrum der Milchstraße würde 10 benötigen87 Jahre, und die massivsten im Universum könnten bis zu 10 Jahre dauern100 Jahre. Im Allgemeinen ist eine einfache Formel, mit der Sie die Verdampfungszeit für ein schwarzes Loch berechnen können, die Zeitskala für unsere Sonne und multipliziert sie mit:

(Masse des Schwarzen Lochs / Masse der Sonne)3.

was bedeutet, dass ein schwarzes Loch der Masse der Erde überleben würde 1047 Jahre; Die Masse der Großen Pyramide in Gizeh (~ 6 Millionen Tonnen) würde ungefähr tausend Jahre lang bestehen bleiben. die Masse des Empire State Buildings würde etwa einen Monat dauern; die Masse eines durchschnittlichen Menschen würde knapp unter einer Pikosekunde dauern. Wenn Ihre Masse abnimmt, verdunsten Sie schneller.

Der Zerfall eines Schwarzen Lochs durch Hawking-Strahlung sollte für die meiste Lebensdauer beobachtbare Signaturen von Photonen erzeugen. Die Verdampfungsrate und die Energie der Hawking-Strahlung bedeuten jedoch, dass es im Endstadium explizite Vorhersagen für die Partikel und Antiteilchen gibt, die einzigartig sind. Ein schwarzes Loch von menschlicher Masse würde in nur einer Pikosekunde verdampfen.ortega-bilder / pixabay

Bei allem, was wir wissen, könnte das Universum schwarze Löcher mit einem außerordentlich breiten Spektrum an Massen enthalten. Wenn es mit leichten geboren würde – irgendetwas unter einer Milliarde Tonnen -, wären diese alle bis heute verflogen. Es gibt keine Anzeichen für schwarze Löcher, die schwerer sind als die, bis Sie zu den durch Neutronenstern-Neutronensternfusionen gebildeten Löchern gelangen, die theoretisch bei etwa 2,5 Sonnenmassen auftreten. Darüber hinaus deuten Röntgenuntersuchungen auf das Vorhandensein von schwarzen Löchern im Bereich von ~ 10-20 Sonnenmassen hin; LIGO hat uns schwarze Löcher zwischen 8 und ungefähr 62 Sonnenmassen gezeigt. Astronomiestudien offenbaren die supermassiven Schwarzen Löcher, die im ganzen Universum zu finden sind.

Es gibt eine Vielzahl von schwarzen Löchern, von denen wir wissen, aber auch eine Vielzahl von Studien, die schwarze Löcher ausschließen, die einen Großteil der dunklen Materie in einer Vielzahl von Regimen bilden.

Einschränkungen für dunkle Materie aus primordialen schwarzen Löchern. Es gibt eine überwältigende Anzahl von Beweisen, die darauf hindeuten, dass es im frühen Universum keine große Population schwarzer Löcher gibt, die unsere dunkle Materie ausmachen.Abb. 1 von Fabio Capela, Maxim Pshirkov und Peter Tinyakov (2013) über http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf

Heutzutage gewinnen alle schwarzen Löcher, die tatsächlich physisch vorhanden sind, eine weitaus größere Materie als Hawkingstrahlung, wodurch sie an Masse verlieren. Für ein schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse verliert es etwa 10-28 Joule Energie jede Sekunde. Bedenkt, dass:

  • sogar ein einzelnes Photon aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund hat etwa eine Million Mal diese Energie,
  • pro Kubikzentimeter Raum gibt es etwa 411 solcher Photonen (vom Urknall übrig geblieben),
  • und sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, was bedeutet, dass ungefähr 10 Billionen Photonen pro Sekunde mit jedem Quadratzentimeter Fläche kollidieren, die ein Objekt einnimmt.

Sogar ein isoliertes schwarzes Loch in den Tiefen des intergalaktischen Raums müsste warten, bis das Universum um 10 herum war20 Jahre alt – mehr als eine Milliarde Mal das aktuelle Alter -, bevor das Wachstum des Schwarzen Lochs unter die Rate der Hawking-Strahlung fällt.

Der Kern der Galaxie NGC 4261 zeigt wie der Kern vieler Galaxien Anzeichen eines supermassiven Schwarzen Lochs sowohl in Infrarot- als auch in Röntgenbeobachtungen. Wenn Materie hineinfällt, wächst das Schwarze Loch weiter.NASA / Hubble und ESA

Aber lass uns das Spiel spielen. Angenommen, Sie lebten im intergalaktischen Raum, fernab von aller normalen Materie und dunkler Materie, weg von allen kosmischen Strahlen und Sternstrahlen und Neutrinos, und hatten nur die vom Urknall übrig gebliebenen Photonen, um damit zu kämpfen. Wie groß müsste Ihr schwarzes Loch sein, damit sich die Hawking-Strahlung (Verdampfung) und die Photonenabsorption durch Ihr schwarzes Loch (Wachstum) ausgleichen?

Die Antwort lautet etwa 1023 kg oder ungefähr die Masse des Planeten Merkur. Wenn es ein schwarzes Loch wäre, hätte Quecksilber einen Durchmesser von etwa einem halben Millimeter und würde etwa 100 Billionen Mal so schnell strahlen wie ein schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse. Das ist die Masse im heutigen Universum, die ein schwarzes Loch braucht, um so viel kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu absorbieren, wie sie in der Hawking-Strahlung emittieren würde.

Wenn ein schwarzes Loch in Masse und Radius schrumpft, wird die von ihm ausgehende Hawking-Strahlung in Temperatur und Leistung immer größer. Wenn jedoch die Hawking-Strahlungsrate die Wachstumsrate übersteigt, werden in unserem Kosmos keine Sterne mehr gebrannt.NASA

Für ein realistisches schwarzes Loch können Sie es nicht von der verbleibenden Materie im Universum isolieren. Schwarze Löcher fliegen, auch wenn sie aus Galaxien herausgeschleudert werden, durch das intergalaktische Medium und treffen auf kosmische Strahlung, Sternenlicht, Neutrinos, dunkle Materie und alle möglichen anderen massiven und masselosen Teilchen. Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist unvermeidlich, egal wo Sie sich befinden. Wenn Sie ein schwarzes Loch sind, absorbieren Sie ständig Materie und Energie und wachsen dadurch an Masse und Größe. Ja, Sie strahlen auch Energie in Form von Hawking-Strahlung ab, aber für alle Schwarzen Löcher, die in unserem Universum wirklich existieren, wird es mindestens 100 Quintillionen Jahre dauern, bis die Wachstumsrate unter die Strahlungsrate fällt und viel, viel länger für sie, um endlich zu verdampfen.

Schwarze Löcher werden irgendwann instabil und verschwinden in nichts als Strahlung. Wenn wir jedoch kein sehr massearmes Loch schaffen, wird es im Universum nichts anderes geben, wenn sie gehen.


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