Когда мы говорим об испарении черной дыры — что именно происходит?

Означает ли это, что с какого-то момента черная дыра просто перестанет быть черной дырой, потому что станет недостаточно массивной?

Нет, как только образуется черная дыра, пути назад нет. Она может терять массу из-за излучения Хокинга, но (насколько нам известно) она не может перестать быть черной дырой, пока от нее ничего не останется. Для черной дыры не существует теоретического нижнего предела массы. Существует вероятность того, что прямо в самом конце процесса испарения какой-то квантовый эффект создает стабильный остаток, но нам нужна правильная теория квантовой гравитации (которая объединяет общую теорию относительности с квантовой теорией), чтобы ответить на такие вопросы, и мы не пока нет такой теории.

Как поясняется в статье в Википедии, излучение Хокинга — это очень медленный процесс для черных дыр с массой типичной звезды, и он очень холодный, около миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. Так что это очень сложно наблюдать, даже если вы находитесь близко к черной дыре. Скорость испарения увеличивается, а температура увеличивается по мере того, как масса черной дыры становится меньше, но в настоящее время Вселенная слишком теплая, чтобы изолированная звездная черная дыра могла терять массу: она получает гораздо больше энергии от космического микроволнового фонового (CMB) излучения. чем то, что он излучает как излучение Хокинга.

Излучение Хокинга — это процесс, который всегда присутствует, когда у вас есть горизонт событий. В случае с черными дырами сила этого излучения зависит от их размера: чем тяжелее черная дыра и, следовательно, чем больше горизонт событий, тем холоднее излучение Хокинга.

Хотя сила излучения Хокинга приближается к нулю по мере приближения к более крупным черным дырам, на самом деле она никогда не становится равной нулю. Так что в некотором смысле черные дыры никогда не бывают по-настоящему черными . Они всегда немного излучают и всегда медленно теряют вес из-за этого излучения.

Итак, если вы изолируете черную дыру от любого входящего излучения, она будет медленно сжиматься, и, сжимаясь, она станет ярче, поэтому она будет сжиматься быстрее в процессе самоусиления. Это самоусиление настолько велико, что любая достаточно маленькая черная дыра теряет всю свою массу за конечное время.

Википедия говорит:

Так, например, черная дыра с 1-секундной жизнью имеет массу$2.28×10^5kg$, что эквивалентно энергии$2.05×10^{22}J$который может быть выпущен$5×10^6$мегатонн тротила. Начальная мощность$6.84×10^{21}W$.

Видите ли, 300-тонная черная дыра вовсе не черная . Сказать, что это раскаленный добела, это серьезное преуменьшение. Оно настолько яркое, что вы просто видите огромный взрыв, который намного превышает разрушительную силу всех ядерных боеголовок мира, вместе взятых... И все это излучение исходит от объекта субатомного размера !

Так что да, черные дыры перестают быть черными, когда они сжимаются. Их излучение Хокинга придает им вид совершенно черного, более или менее горячего объекта. Большие черные дыры холоднее, чем космический микроволновый фон, и кажутся настолько черными, насколько мы можем себе представить. Но меньшие черные дыры светятся излучением Хокинга. По мере того, как черная дыра сжимается, это свечение переходит от тусклого красноватого свечения к яркому белому свету, жестоко яркому ультрафиолету и смертельно интенсивному рентгеновскому излучению к разрушительной яркости ядерной боеголовки.

Но все время вы видите только излучение Хокинга. Сингулярность (или что-то еще, что происходит внутри черной дыры) остается скрытой за горизонтом событий до тех пор, пока черная дыра не потеряет всю свою массу.

Во-первых, если мы проигнорируем квантовые эффекты, такие как излучение Хокинга, то не будет никаких ограничений на то, насколько маленькой может быть черная дыра. Классическая общая теория относительности допускает решения черных дыр с произвольно малой массой.$M>0$, а соответствующий радиус Шварцшильда (для невращающейся черной дыры, что является простейшим случаем) равен$R=2GM/c^2$. Если мы возьмем$M$быть массой земли, то$R$получается примерно сантиметр. Если мы возьмем$M$быть массой большой горы, то$R$оказывается меньше радиуса атома (но больше радиуса протона). Несмотря на то, что она крошечная, это все же черная дыра — по крайней мере, если мы игнорируем квантовые эффекты, такие как излучение Хокинга.

Как именно квантовые эффекты меняют эту картину, пока неясно, поэтому я не думаю, что мы можем окончательно сказать, когда испаряющаяся черная дыра перестает быть черной дырой. Однако у нас есть все основания полагать, что классическая общая теория относительности останется хорошим приближением к геометрии пространства-времени до тех пор, пока масса черной дыры намного больше, чем масса Планка.$\sqrt{\hbar c/G}$, что составляет небольшую долю миллиграмма. В частности, у нас есть веские основания быть уверенными в том, что испаряющаяся черная дыра, которая начинается с типичной звездной массы (или больше), останется черной дырой после того, как она сожмется до размеров земной массы, и, предположительно, даже после того, как она сожмется до горных масс. массовые (субатомные) пропорции.

(Обратите внимание, что это займет намного больше времени, чем нынешний возраст Вселенной.)

Этот ответ основан на искусственном смешении двух разных теорий, классической общей теории относительности и квантовой физики, которые мы еще не совсем знаем, как их комбинировать. У нас есть все основания полагать, что в какой-то момент, когда и общерелятивистские, и квантовые эффекты будут иметь конкурирующие величины, классическая концепция пространства-времени каким-то образом рухнет. Это должно произойти, по крайней мере, вблизи «сингулярности», которую предсказывает классическая общая теория относительности внутри черной дыры, и для любой черной дыры в целом, которая ненамного превышает планковскую массу. Что именно происходит в этих условиях, пока неизвестно. Однако, пока мы рассматриваем только ситуации, которые не являются такими экстремальными, разумно основывать ответы на «искусственном смешении двух разных теорий». Разумно не значит правильно...