Τι είναι η ακτινοβολία Hawking;

Στη δεκαετία του 1970, ο φυσικός Stephen Hawking προσπάθησε να απαντήσει σε μια φαινομενικά απλή ερώτηση:έχουν οι μαύρες τρύπες θερμοκρασία; Η ανάλυσή του οδήγησε στην έννοια που τώρα φέρει το όνομά του:Ακτινοβολία Χόκινγκ. Ο Χόκινγκ όχι μόνο έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν ενέργεια, αλλά έδειξε ότι συρρικνώνονται απίστευτα αργά και τελικά εκρήγνυνται σε μια λάμψη ακτίνων γάμμα.

Τι είναι η ακτινοβολία Hawking;

Η ιδέα της ακτινοβολίας Hawking βασίζεται στο γεγονός ότι ο κενός χώρος δεν είναι στην πραγματικότητα κενός. Αυτή είναι ίσως μια δύσκολη ιδέα να κατανοηθεί. Αν και ο κενός χώρος δεν περιέχει μάζα, σωματίδια ή κβάντα ενέργειας, τα κβαντικά πεδία που τα ορίζουν εξακολουθούν να υπάρχουν στο κενό του χώρου.

Η συνήθης εξήγηση είναι ότι αυτά τα πεδία, επειδή δεν απαιτείται να έχουν μηδενική ενέργεια, μπορούν να δημιουργήσουν ζεύγη «εικονικών σωματιδίων», συνήθως ένα ζεύγος σωματιδίου-αντισωματιδίου που εξαφανίζονται γρήγορα το ένα το άλλο. Αλλά κοντά σε μια μαύρη τρύπα, η εξήγηση λέει ότι είναι πιθανό ένα από αυτά τα σωματίδια να εξαφανιστεί μέσα στη μαύρη τρύπα και να χαθεί για πάντα, ενώ το άλλο διαφεύγει ως ακτινοβολία Hawking.

Ανακαλύψτε περισσότερα για τις μαύρες τρύπες:

• Τι είναι η μαύρη τρύπα και πώς την ανακαλύψαμε;
• Αν κατασκευάζαμε ένα αρκετά ισχυρό τηλεσκόπιο, θα μπορούσαμε θεωρητικά να δούμε το φως από τη Μεγάλη Έκρηξη;
• Υπάρχουν κάποια κβαντικά αποτελέσματα που μπορούμε να δούμε στην καθημερινή ζωή;
• Μπορεί να υπάρχει ζωή γύρω από μια μαύρη τρύπα;

Αυτή η εξήγηση, αν και χρησιμοποιείται συνήθως, δεν είναι εντελώς πλήρης. Η ακτινοβολία Hawking είναι στην πραγματικότητα το αποτέλεσμα του τρόπου με τον οποίο η βαρύτητα επηρεάζει τον χωροχρόνο, όπως περιγράφεται από τη Γενική Σχετικότητα.

Τα κβαντικά πεδία στον κενό χώρο υπακούουν στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, που σημαίνει ότι υπάρχει ένα όριο στη βεβαιότητα με την οποία μπορούμε να γνωρίζουμε την ενέργειά τους ή τον χρόνο στον οποίο μπορεί να τους αποδοθεί μια συγκεκριμένη ενέργεια. Εφόσον ένα βαρυτικό πεδίο κάμπτει τον χωροχρόνο και επηρεάζει το τοπικό πέρασμα του χρόνου, αυτό σημαίνει ότι περιοχές του χωροχρόνου με διαφορετικές βαρυτικές καμπυλότητες δεν μπορούν να συμφωνήσουν για την ενέργεια των κβαντικών πεδίων. Αυτή η διαφορά στην ενέργεια του κενού σε διαφορετικές θέσεις στο βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας είναι που δημιουργεί τα λεγόμενα «εικονικά σωματίδια».

Μπορούμε να ανιχνεύσουμε την ακτινοβολία Hawking;

Ο Χόκινγκ κατάφερε να απαντήσει στην αρχική του ερώτηση για το αν μια μαύρη τρύπα έχει θερμοκρασία. Το κάνουν, αλλά αυτές οι θερμοκρασίες είναι εξαιρετικά μικρές. Επιπλέον, ο Χόκινγκ έδειξε ότι η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από μια μαύρη τρύπα είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα της. Έτσι, παραδόξως, όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα της μαύρης τρύπας, τόσο μικρότερη είναι η απελευθέρωση ενέργειας και η θερμοκρασία της.

Μια μαύρη τρύπα μιας ηλιακής μάζας (μία ηλιακή μάζα είναι ίση με τη μάζα του Ήλιου μας) μπορεί να έχει θερμοκρασία περίπου 10-8K ενώ ένα εκατομμύριο μαύρη τρύπα ηλιακής μάζας θα ήταν περίπου 10-14K. Αυτές οι θερμοκρασίες, μόνο οριακά πάνω από το «απόλυτο μηδέν», είναι ελάχιστες σε σύγκριση με τη θερμοκρασία του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων (CMB) – της ακτινοβολίας λείψανο της Μεγάλης Έκρηξης που διαπερνά όλο το διάστημα.

Φαίνεται επίσης ότι το Σύμπαν δεν μπορεί να παράγει συνήθως μαύρες τρύπες μικρότερες από περίπου 2,5 ηλιακές μάζες, επομένως η εύρεση πολύ μικρών και ως εκ τούτου καυτών μαύρων τρυπών δεν αποτελεί επιλογή. Είναι επομένως πιθανό ότι η ανίχνευση της ακτινοβολίας Hawking είναι ουσιαστικά αδύνατη.

Υπάρχει όμως μια πιθανότητα. Μερικοί αστρονόμοι υποθέτουν την ύπαρξη «αρχέγονων μαύρων οπών». Αυτά μπορεί να έχουν σχηματιστεί λόγω των διακυμάνσεων της πυκνότητας στο πρώιμο Σύμπαν και μπορεί να ευθύνονται για κάποια από τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη που εξακολουθεί να διαφεύγει από τους αστρονόμους. Είναι σημαντικό ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν περιορίζονται από το μέγεθός τους, επομένως υπάρχει πιθανότητα να υπάρχουν μαύρες τρύπες χαμηλής μάζας. Αυτές μπορεί να εκπέμπουν αρκετή ακτινοβολία Hawking για να ανιχνευθούν και, δεδομένου ότι η διάρκεια ζωής τους είναι μικρή σε σύγκριση με μεγαλύτερες μαύρες τρύπες, θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν με μια λάμψη ακτίνων γάμμα κατά τη διάρκεια του θανάτου τους.

Οι μαύρες τρύπες ζουν για πάντα;

Ένα από τα συμπεράσματα της δουλειάς του Χόκινγκ ήταν ότι οι μαύρες τρύπες δεν ζουν για πάντα. Τελικά εξατμίζονται, με έναν πολύ αργό και κοσμικό τρόπο. Η απελευθέρωση της ακτινοβολίας Hawking μειώνει σταδιακά τη μάζα της μαύρης τρύπας. Έτσι, οι μαύρες τρύπες που δεν ρουφούν ενεργά νέο υλικό θα συρρικνωθούν αργά και τελικά θα εξαφανιστούν.

Τα χρονοδιαγράμματα για αυτήν την εξάτμιση είναι τεράστια. Για παράδειγμα, μια μαύρη τρύπα μιας ηλιακής μάζας θα χρειαζόταν 1064 χρόνια για να εξατμιστεί πλήρως, ενώ η ηλικία του Σύμπαντος είναι μόλις 1010 χρόνια.

Ποιο είναι το παράδοξο πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα;

Η εξάτμιση της μάζας από μια μαύρη τρύπα λόγω της ακτινοβολίας Hawking οδηγεί σε ένα ανησυχητικό πρόβλημα που είναι γνωστό ως «παράδοξο της πληροφορίας». Μία από τις βασικές αρχές της κβαντικής μηχανικής δηλώνει ότι οι «πληροφορίες» δεν μπορούν να καταστραφούν. Αυτό σημαίνει ότι, για παράδειγμα, εάν έχουμε πλήρεις πληροφορίες για ένα σύστημα σωματιδίων, μπορούμε να προβλέψουμε το μέλλον και τις προηγούμενες καταστάσεις αυτού του συστήματος.

Οι πληροφορίες που διατηρούνται από τα σωματίδια που διασχίζουν τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας είναι για πάντα «χαμένες» για εμάς γιατί δεν μπορούν ποτέ να επιστρέψουν. Αυτό δεν είναι πρόβλημα εάν οι πληροφορίες παραμένουν άθικτες μέσα στη μαύρη τρύπα. Το πρόβλημα είναι ότι η μαύρη τρύπα χάνει μάζα μέσω της ακτινοβολίας Hawking, αλλά δεν επιστρέφει αυτές τις πληροφορίες στο προσβάσιμο μέρος του Σύμπαντος.

Τελικά, η μαύρη τρύπα εξαφανίζεται εντελώς και μαζί της και οι πληροφορίες που έχει καταπιεί, παραβιάζοντας τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής. Η αναζήτηση μιας λύσης σε αυτό το παράδοξο οδήγησε σε ενδιαφέρουσα νέα φυσική, αλλά τελικά μπορεί να απαιτεί μια πλήρη θεωρία της «κβαντικής βαρύτητας», η οποία, απογοητευτικά, παραμένει ένα από τα άλυτα προβλήματα της φυσικής.

Σχετικά με τον συγγραφέα -  Alastair Gunn

Ο Alastair είναι αστροφυσικός και συγγραφέας επιστήμης στο Jodrell Bank Observatory του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, καθώς και αναπληρωτής συντάκτης του Astronomy &Geophysics της Royal Astronomical Society περιοδικό.

Διαβάστε περισσότερα:

• Τι είναι τα σημεία Lagrange;
• Τι σχήμα έχει το Σύμπαν;
• Ένας χρόνος στον Άρη:Τι έχει επιτύχει η Επιμονή;
• Το μυστήριο των πολικών κυκλώνων του Δία λύθηκε χρησιμοποιώντας τη φυσική των ωκεανών

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 373 του BBC Science Focus Magazine – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ