Black holes are among the most destructive objects in the universe. Anything that gets too close to the central singularity of a black hole, be it an asteroid, planet, or star, risks being torn apart by its extreme gravitational field. And if the approaching object happens to cross the black hole’s event horizon, it’ll disappear and never re-emerge, adding to the black hole’s mass and expanding its radius in the process. There is nothing we could throw at a black hole that would do the least bit of damage to it. Even another black hole won’t destroy it– the two will simply merge into a larger black hole, releasing a bit of energy as gravitational waves in the process. By some accounts, it’s possible that the universe may eventually consist entirely of black holes in a very distant future. And yet, there may be a way to destroy, or “evaporate,” these objects after all. If the theory is true, all we need to do is to wait.
سیاهچالهها در زمره مخربترین اجسام جهان هستند. هر چیزی که بیش از حد به نقطه تکینگی مرکزی سیاهچاله نزدیک شود، چه سیارک باشد، چه سیاره یا ستاره، خطر اینکه توسط میدان گرانشیِ شدید آن ازهم فرو بپاشد، وجود دارد. و اگر شی نزدیک شونده، ناگهان از افق رویداد سیاهچاله گذر کند، ناپدید شده و هرگز پدیدار نخواهد شد، و در این فرآیند به جرم سیاهچاله افزوده و شعاع آن گسترش خواهد یافت. هیچچیزی نیست که بتوان در سیاهچاله انداخت که کمترین صدمهای به آن بزند. حتی یک سیاهچاله دیگر آن را از بین نخواهد برد- این دو بهسادگی بایکدیگر به سیاهچاله بزرگتری ادغام میشوند. و در این فرآیند مقداری انرژی بهعنوان امواجگرانشی آزاد میکنند. طبق برخی گفتهها، ممکن است که جهان در نهایت و در آیندهای بسیار دور به طور کامل از سیاهچالهها تشکیل شود. و با این حال ممکن است راهی برای نابود کردن یا «تبخیر شدن» این اجسام وجود داشته باشد. اگر این نظریه درست باشد، تنها کاری که باید بکنیم این است که صبر کنیم.
In 1974, Stephen Hawking theorized a process that could lead a black hole to gradually lose mass. Hawking radiation, as it came to be known, is based on a well-established phenomenon called quantum fluctuations of the vacuum. According to quantum mechanics, a given point in spacetime fluctuates between multiple possible energy states. These fluctuations are driven by the continuous creation and destruction of virtual particle pairs, which consist of a particle and its oppositely charged antiparticle.
در سال ۱۹۷۴، استیون هاوکینگ، فرآیندی را مطرح کرد که میتوانست منجربه ایجاد سیاهچالهای شود که جرم خود را بهتدریج از دست بدهد. تشعشعات هاوکینگ درست همانطور که معلوم شد، مبتنی بر پدیدهی شناختهشدهای به نام نوسانات کوانتومی خلا میباشد. با توجه به مکانیک کوانتومی، یک نقطه دادهشده در فضا-زمان بین حالتهای مختلف انرژی نوسان میکند. این نوسانات به وسیله خلق و نابودیِ پیاپیِ جفت ذرات مجازی که شامل یک ذره و پادذره با بار مخالف است، هدایت میشوند.
Normally, the two collide and annihilate each other shortly after appearing, preserving the total energy. But what happens when they appear just at the edge of a black hole’s event horizon? If they’re positioned just right, one of the particles could escape the black hole’s pull while its counterpart falls in. It would then annihilate another oppositely charged particle within the event horizon of the black hole, reducing the black hole’s mass. Meanwhile, to an outside observer, it would look like the black hole had emitted the escaped particle.
معمولا، این دو در مدت کوتاهی پس از ظهور، با هم برخورد کرده و نابود می شوند، و در نتیجه تمام انرژی را ذخیره می کنند. اما چه رخ میدهد وقتی که آنها درست در لبه افق رویداد یک سیاهچاله ظاهر شوند؟ اگر آنها فقط درست قرار گرفته باشند، یکی از ذرات می تواند از کشش سیاه چاله جلوگیری کند در حالی که طرف مقابل خود سقوط میکند. سپس ذره مخالف دیگری را در افق رویداد سیاهچاله از بین میبرد، و جرم سیاهچاله را کاهش میدهد. در همین حال، برای یک ناظر بیرونی، به نظر میرسد که سیاهچاله، ذرات فرار را منتشر کردهاست.
Thus, unless a black hole continues to absorb additional matter and energy, it’ll evaporate particle by particle, at an excruciatingly slow rate. How slow? A branch of physics, called black hole thermodynamics, gives us an answer.
بنابراین، مگر اینکه یک سیاهچاله به جذب ماده و انرژی اضافی ادامه دهد، در یک سرعت بسیار بسیار آهسته ذره ذره تبخیر خواهد شد. چه اندازه کُند؟ شاخهای از فیزیک به نام ترمودینامیک سیاهچاله به ما پاسخ میدهد.
When everyday objects or celestial bodies release energy to their environment, we perceive that as heat, and can use their energy emission to measure their temperature. Black hole thermodynamics suggests that we can similarly define the “temperature” of a black hole. It theorizes that the more massive the black hole, the lower its temperature. The universe’s largest black holes would give off temperatures of the order of 10 to the -17th power Kelvin, very close to absolute zero. Meanwhile, one with the mass of the asteroid Vesta would have a temperature close to 200 degrees Celsius, thus releasing a lot of energy in the form of Hawking Radiation to the cold outside environment. The smaller the black hole, the hotter it seems to be burning– and the sooner it’ll burn out completely.
هنگامی که اشیا روزمره و یا اجسام، انرژی را در محیط خود آزاد میکنند، ما این را به عنوان گرما درک میکنیم و میتوانیم از انتشار انرژی برای اندازهگیری دمای آنها استفاده کنیم. ترمودینامیک سیاهچاله نشان میدهد میتوانیم به طور مشابه «درجه حرارت» یک سیاهچاله را تعریف کنیم. استدلال میکند که هر چه سیاهچاله عظیمتر باشد، دمای آن کمتر میشود. بزرگترین سیاهچالههای جهان، درجه حرارتی درحدود ۱۰ بهتوان ۱۷- درجه کلوین را منتشر می کنند، که بسیار نزدیک به صفر مطلق است. در همین حال، سیاهچالهای با جرم سیارک وِستا دمایی نزدیک به ۲۰۰ درجه سانتیگراد خواهد داشت، در نتیجه انرژی زیادی را به شکل تشعشعاتِ هاوکینگ به محیط سرد بیرونی، آزاد می کند. هرچه سیاهچاله کوچکتر، گویی داغتر میسوزد، و زودتر هم بهطور کامل میسوزد.
Just how soon? Well, don’t hold your breath. First of all, most black holes accrete, or absorb matter and energy, more quickly than they emit Hawking radiation. But even if a black hole with the mass of our Sun stopped accreting, it would take 10 to the 67th power years– many many magnitudes longer than the current age of the Universe— to fully evaporate. When a black hole reaches about 230 metric tons, it’ll have only one more second to live. In that final second, its event horizon becomes increasingly tiny, until finally releasing all of its energy back into the universe. And while Hawking radiation has never been directly observed, some scientists believe that certain gamma ray flashes detected in the sky are actually traces of the last moments of small, primordial black holes formed at the dawn of time.
فقط چقدر زود؟ خب، نفستان را حبس نکنید. اول اینکه، اکثر سیاهچالهها یا جذب ماده و انرژی میشوند، بسیار سریعتر از اشعه هاوکینگ. اما حتی اگر یک سیاهچاله با جرم خورشید ما، متوقف شود، ۱۰ به توان ۶۷ سال قدرت خواهد داشت- خیلیخیلی بیشتر از سن کنونی جهان - تا به طور کامل تبخیر شود. وقتی یک سیاهچاله به حدود ۲۳۰ تن میرسد، تنها یک تا دو ثانیه دیگر زنده خواهد بود. در ثانیه نهایی، افق رویداد آن به طور فزایندهای کوچک میشود، تا اینکه بالاخره تمام انرژیِ خود را به درون جهان آزاد کند. و در حالی که اشعه هاوکینگ هرگز مستقیما مشاهده نشده است، برخی از دانشمندان بر این باورند که اشعه گاما در آسمان شناسایی شده است، در واقع اثری از آخرین لحظات سیاهچالههای کوچکی است که در خلال زمان به پایان رسیده است.
Eventually, in an almost inconceivably distant future, the universe may be left as a cold and dark place. But if Stephen Hawking was right, before that happens, the normally terrifying and otherwise impervious black holes will end their existence in a final blaze of glory.
سرانجام، در آیندهای تقریبا غیرقابل تصور، جهان ممکن است به عنوان مکانی سرد و تاریک رها شود. اما اگرحرف استیون هاوکینگ درست باشد پیش از اینکه این اتفاق بیفتد، که سیاهچالهها به طور معمول رعبآور و به عبارتی غیرقابل نفوذ، وجود خود را در نهایت شکوه و جلال با افتخار به پایان خواهند رساند.