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.
I buchi neri sono tra gli oggetti più devastanti dell'universo. Tutto ciò che si avvicina troppo alla singolarità centrale di un buco nero, che si tratti di un asteroide, un pianeta o una stella, rischia di essere distrutto dal suo enorme campo gravitazionale. Se poi l'oggetto finisce per oltrepassare l'orizzonte degli eventi del buco nero, sparisce per non riemergere mai più, contribuendo ad aumentarne la massa e il raggio. Nulla di ciò che potremmo scagliare contro un buco nero gli causerebbe il benché minimo danno. Neppure un altro buco nero potrebbe distruggerlo: i due buchi neri finirebbero per fondersi, creandone uno più grande e rilasciando un po' di energia sotto forma di onde gravitazionali. Secondo alcune ipotesi, l'universo arriverà a essere composto interamente di buchi neri in un futuro molto lontano. Tuttavia, potrebbe esserci un modo per distruggerli o "farli evaporare". Se la teoria è giusta, non dobbiamo fare altro che aspettare.
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.
Nel 1974, Stephen Hawking teorizzò un processo che potrebbe portare un buco nero a perdere progressivamente massa. Questo processo, chiamato "radiazione di Hawking", si basa sul noto fenomeno delle fluttuazioni quantistiche del vuoto. Secondo la quantistica meccanica, un determinato punto nello spazio-tempo fluttua tra molteplici stati energetici. Queste fluttuazioni dipendono dalla continua creazione e distruzione di coppie di particelle virtuali, formate da una particella e da un'antiparticella di segno opposto.
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.
Di solito, esse si urtano distruggendosi a vicenda subito dopo la loro comparsa, preservando così l'energia totale, ma cosa accade se si formano al confine dell'orizzonte degli eventi del buco nero? Se compaiono in una posizione particolare, una di loro potrebbe sfuggire alla forza d'attrazione del buco nero, mentre la sua controparte vi cadrebbe dentro, finendo così per distruggere una diversa particella di segno opposto all'interno dell'orizzonte degli eventi, riducendo in questo modo la massa del buco nero. Nel frattempo, a un osservatore esterno sembrerebbe che sia stato il buco nero a generare la particella sfuggita.
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.
Quindi, a meno che non continui ad assorbire ulteriore materia ed energia, il buco nero evaporerà molto lentamente, particella dopo particella. Quanto lentamente? La risposta la dà un ramo della fisica chiamato termodinamica dei buchi neri.
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.
L'energia rilasciata nell'ambiente da oggetti comuni e corpi celesti viene percepita da noi come calore di cui possiamo misurare la temperatura. Secondo la termodinamica dei buchi neri, sarebbe possibile determinare in modo analogo la "temperatura" di un buco nero: più è grande il buco nero, più è bassa la sua temperatura. I buchi neri più grandi dell'universo emetterebbero temperature nell'ordine di 10 alla -17 gradi Kelvin, molto vicine allo zero assoluto. Allo stesso tempo, un buco nero delle dimensioni dell'asteroide Vesta avrebbe una temperatura vicina ai 200 gradi Celsius e dunque rilascerebbe molta energia sotto forma di radiazione di Hawking nel freddo ambiente circostante. Più un buco nero è piccolo, più sembra bruciare intensamente e dunque consumarsi più in fretta.
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.
Ma quanto velocemente? Beh, non trattenete il fiato. Prima di tutto, la maggior parte dei buchi neri cresce o assorbe materia ed energia più rapidamente di quanto emetta radiazione di Hawking. Ma anche se un buco nero con la massa del nostro Sole smettesse di crescere impiegherebbe un totale di anni pari a 10 alla 67, ossia una grandezza di gran lunga superiore all'attuale età dell'universo, per evaporare del tutto. Raggiunte le 230 tonnellate metriche, il buco nero avrebbe solo un ultimo secondo di vita. In quell'ultimo secondo, il suo orizzonte degli eventi diverrebbe sempre più piccolo fino a rilasciare nuovamente nell'universo tutta la sua energia. Anche se la radiazione di Hawking non è mai stata osservata direttamente, secondo alcuni scienziati, alcuni bagliori di raggi gamma notati in cielo sono in realtà tracce degli ultimi istanti di piccoli e primordiali buchi neri risalenti all'inizio dei tempi.
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.
In un futuro incredibilmente lontano, l'universo potrebbe divenire un luogo buio e freddo. Ma se Hawking aveva ragione, prima che ciò accada i buchi neri, solitamente terrificanti e imperturbabili, usciranno di scena in un lampo di gloria finale.