Wenn wir über die Verdunstung von Schwarzen Löchern sprechen – was passiert genau?

Bedeutet dies, dass das Schwarze Loch irgendwann aufhören wird, ein Schwarzes Loch zu sein, weil es nicht massiv genug ist?

Nein, sobald sich ein Schwarzes Loch gebildet hat, gibt es kein Zurück mehr. Es kann durch Hawking-Strahlung Masse verlieren, aber (soweit wir wissen) kann es nicht aufhören, ein Schwarzes Loch zu sein, bis nichts mehr übrig ist. Es gibt keine theoretische untere Massengrenze für ein Schwarzes Loch. Es besteht die Möglichkeit, dass kurz vor dem Ende des Verdunstungsprozesses ein Quanteneffekt einen stabilen Überrest erzeugt, aber wir brauchen eine richtige Theorie der Quantengravitation (die die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie vereint), um solche Fragen zu beantworten, und wir tun es nicht Ich habe noch keine solche Theorie.

Wie der Wikipedia-Artikel erklärt, ist Hawking-Strahlung ein sehr langsamer Prozess für Schwarze Löcher mit der Masse eines typischen Sterns, und es ist sehr kalt, etwa ein Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Es ist also sehr schwer zu beobachten, selbst wenn Sie sich in der Nähe des Schwarzen Lochs befinden. Die Verdampfungsrate wird schneller und die Temperatur steigt, wenn die Masse des Schwarzen Lochs kleiner wird, aber derzeit ist das Universum zu warm, als dass ein isoliertes stellares Schwarzes Loch an Masse verlieren könnte: Es gewinnt viel mehr Energie aus der Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB). als das, was es als Hawking-Strahlung aussendet.

Hawking-Strahlung ist ein Prozess, der immer da ist, wenn Sie einen Ereignishorizont haben. Bei Schwarzen Löchern ist die Stärke dieser Strahlung eine Funktion ihrer Größe: Je schwerer das Schwarze Loch und damit je größer der Ereignishorizont ist, desto kälter ist die Hawking-Strahlung.

Während sich die Stärke der Hawking-Strahlung bei größeren Schwarzen Löchern Null nähert, wird sie nie wirklich Null. Schwarze Löcher sind also in gewisser Weise nie wirklich schwarz . Sie strahlen immer ein bisschen und verlieren durch diese Strahlung immer langsam an Gewicht.

Wenn Sie also ein Schwarzes Loch von einfallender Strahlung isolieren, schrumpft es langsam, und durch das Schrumpfen wird es heller, sodass es in einem sich selbst verstärkenden Prozess schneller schrumpft. Diese Selbstverstärkung ist so stark, dass jedes ausreichend kleine Schwarze Loch innerhalb einer endlichen Zeit seine gesamte Masse verliert.

Wikipedia sagt:

So hat zum Beispiel ein Schwarzes Loch mit einer Lebensdauer von 1 Sekunde eine Masse von$2.28×10^5kg$, entspricht einer Energie von$2.05×10^{22}J$das könnte freigegeben werden durch$5×10^6$Megatonnen TNT. Die Anfangsleistung ist$6.84×10^{21}W$.

Sehen Sie, ein 300 Tonnen schweres Schwarzes Loch ist überhaupt nicht schwarz . Zu sagen, dass es weißglühend ist, ist eine starke Untertreibung. Es ist so extrem hell, dass Sie nur eine riesige Explosion sehen, die die Zerstörungskraft aller Atomsprengköpfe der Welt zusammengenommen bei weitem übersteigt ... Und all diese Strahlung kommt aus einem Objekt von subatomarer Größe !

Also, ja, schwarze Löcher hören auf, schwarz zu sein, wenn sie schrumpfen. Ihre Hawking-Strahlung lässt sie wie ein vollkommen schwarzes, mehr oder weniger heißes Objekt erscheinen. Große Schwarze Löcher sind kühler als der kosmische Mikrowellenhintergrund und erscheinen so schwarz, wie wir es uns vorstellen können. Aber kleinere Schwarze Löcher leuchten mit Hawking-Strahlung. Während das Schwarze Loch schrumpft, reicht dieses Leuchten von einem schwachen, rötlichen Leuchten über helles weißes Licht, brutal helles Ultraviolett und tödlich intensive Röntgenstrahlen bis hin zur zerstörerischen Helligkeit eines Atomsprengkopfs.

Aber die ganze Zeit ist es nur die Hawking-Strahlung, die Sie sehen. Die Singularität (oder was auch immer sich innerhalb eines Schwarzen Lochs befindet) bleibt hinter dem Ereignishorizont verborgen, bis das Schwarze Loch seine gesamte Masse verloren hat.

Erstens, wenn wir Quanteneffekte wie die Hawking-Strahlung ignorieren, gäbe es keine Begrenzung dafür, wie klein ein Schwarzes Loch sein kann. Die klassische allgemeine Relativitätstheorie erlaubt Schwarzlochlösungen mit beliebig kleiner Masse$M>0$, und der entsprechende Schwarzschild-Radius (für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch, was der einfachste Fall ist) ist$R=2GM/c^2$. Wenn wir nehmen$M$dann die Masse der Erde sein$R$kommt auf etwa einen Zentimeter. Wenn wir nehmen$M$dann die Masse eines großen Berges sein$R$ist kleiner als der Radius eines Atoms (aber größer als der Radius eines Protons). Obwohl es winzig klein ist, ist es immer noch ein Schwarzes Loch – zumindest wenn wir Quanteneffekte wie die Hawking-Strahlung ignorieren.

Wie genau Quanteneffekte dieses Bild verändern, ist noch nicht verstanden, daher glaube ich nicht, dass wir definitiv sagen können, wann ein verdampfendes Schwarzes Loch aufhört, ein Schwarzes Loch zu sein. Wir haben jedoch guten Grund zu der Annahme, dass die klassische allgemeine Relativitätstheorie eine gute Annäherung an die Raumzeitgeometrie bleiben wird, solange die Masse des Schwarzen Lochs viel größer ist als die Planck-Masse$\sqrt{\hbar c/G}$, das ist ein kleiner Bruchteil eines Milligramms. Insbesondere haben wir guten Grund zur Zuversicht, dass ein verdunstendes Schwarzes Loch, das mit einer typischen Sternmasse (oder größer) beginnt, immer noch ein Schwarzes Loch sein wird, nachdem es auf Ausmaße der Erdmasse geschrumpft ist, und vermutlich sogar nachdem es auf Berge geschrumpft ist. Masse (subatomare) Proportionen.

(Beachten Sie, dass dies viel, viel länger dauern würde als das gegenwärtige Alter des Universums.)

Diese Antwort basiert auf einer künstlichen Mischung aus zwei verschiedenen Theorien, der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik, von denen wir noch nicht genau wissen, wie wir sie kombinieren sollen. Wir haben guten Grund zu der Annahme, dass das klassische Konzept der Raumzeit irgendwann zusammenbrechen wird, wenn sowohl allgemein-relativistische als auch Quanteneffekte konkurrierende Größenordnungen haben. Dies muss mindestens in der Nähe der „Singularität“ geschehen, die die klassische allgemeine Relativitätstheorie innerhalb eines Schwarzen Lochs vorhersagt, und für die Gesamtheit jedes Schwarzen Lochs, das nicht viel größer als die Planck-Masse ist. Was genau unter diesen Bedingungen passiert, ist noch nicht bekannt. Solange wir jedoch nur Situationen betrachten, die nicht so extrem sind, ist es sinnvoll, Antworten auf die „künstliche Mischung zweier verschiedener Theorien“ zu stützen. Vernünftig heißt nicht unbedingt richtig...