Термодинамика и испарение черных дыр - Черные дыры

Представления о черной дыре как об абсолютно поглощающем объекте были скорректированы С. Хокингом в 1975 году. Изучая поведение квантовых полей вблизи черной дыры, он предсказал, что черная дыра обязательно излучает частицы во внешнее пространство и тем самым теряет массу. Этот эффект называется излучением (испарением) Хокинга. Упрощенно говоря, гравитационное поле поляризует вакуум, в результате чего возможно образование не только виртуальных, но и реальных пар частица-античастица. Одна из частиц, оказавшаяся чуть ниже горизонта событий, падает внутрь черной дыры, а другая, оказавшаяся чуть выше горизонта, улетает, унося энергию (то есть часть массы) черной дыры. Мощность излучения черной дыры равна

.

Состав излучения зависит от размера черной дыры: для больших черных дыр это в основном фотоны и нейтрино, а в спектре легких черных дыр начинают присутствовать и тяжелые частицы. Спектр хокинговского излучения для безмассовых полей оказался строго совпадающим с излучением абсолютно черного тела, что позволило приписать черной дыре температуру

,

Где -- редуцированная постоянная Планка, c -- скорость света, k -- постоянная Больцмана, G -- гравитационная постоянная, M -- масса черной дыры.

На этой основе была построена термодинамика черных дыр, в том числе введено ключевое понятие энтропии черной дыры, которая оказалась пропорциональна площади ее горизонта событий:

,

Где A -- площадь горизонта событий.

Скорость испарения черной дыры тем больше, чем меньше ее размеры. Испарением черных дыр звездных (и тем более галактических) масштабов можно пренебречь, однако для первичных и в особенности для квантовых черных дыр процессы испарения становятся центральными.

За счет испарения все черные дыры теряют массу и время их жизни оказывается конечным:

.

При этом интенсивность испарения нарастает лавинообразно, и заключительный этап эволюции носит характер взрыва, например, черная дыра массой 1000 тонн испарится за время порядка 84 секунды, выделив энергию, равную взрыву примерно десяти миллионов атомных бомб средней мощности.

В то же время, большие черные дыры, температура которых ниже температуры реликтового излучения Вселенной (2,7К), на современном этапе развития Вселенной могут только расти, так как испускаемое ими излучение имеет меньшую энергию, чем поглощаемое. Данный процесс продлится до тех пор, пока фотонный газ реликтового излучения не остынет в результате расширения Вселенной.

Без квантовой теории гравитации невозможно описать заключительный этап испарения, когда черные дыры становятся микроскопическими (квантовыми). Согласно некоторым теориям, после испарения должен оставаться "огарок" -- минимальная планковская черная дыра.

Похожие статьи




Термодинамика и испарение черных дыр - Черные дыры

Предыдущая | Следующая