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.
Czarne dziury to najbardziej niszczycielskie obiekty we wszechświecie. Wszystko, co zbliży się do ich osobliwości, asteroida, planeta lub gwiazda, może zostać rozerwane przez jej silne pole grawitacyjne. Jeśli zbilżające się obiekty wejdą w jej horyzont zdarzeń, znikną i nie wrócą, zwiększając przy tym masę i średnicę czarnej dziury. Nie ma niczego, co mogłoby uszkodzić czarną dziurę. Nawet inna czarna dziura jej nie zniszczy, połączą się, tworząc jeszcze większy obiekt, wywołując ogromne fale grawitacyjne. Niektóre teorie zakładają, że wszechświat w przyszłości będzie się składał wyłącznie z czarnych dziur. Jednak jest sposób, żeby zniszczyć, lub "wyparować" czarne dziury. Jeśli ta teoria się sprawdzi, to wystarczy tylko czekać.
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.
W 1974 roku Stephen Hawking opisał proces, w trakcie którego czarna dziura traci swoją masę. Pojęcie promieniowania Hawkinga opiera się na zjawisku kwantowej fluktuacji próżni. Według mechaniki kwantowej, punkt w czasoprzestrzeni oscyluje między wieloma stanami energetycznymi. Związane jest to z ciągłym łączeniem i rozpadem par cząstek wirtualnych składających się z dodatnio i ujemnie naładowanych cząstek.
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.
Zazwyczaj pary zderzają się i natychmiast niszczą nawzajem, tracąc całą energię. Co się stanie, gdy pojawią się na skraju horyzontu wydarzeń czarnej dziury? Jeśli znajdą się w odpowiednim miejscu, jedna z cząstek będzie poza zasięgiem przyciągania czarnej dziury, a druga w nim zostanie, to ta cząstka zniszczy inną przeciwnie naładowaną cząstkę na skraju horyzontu wydarzeń czarnej dziury, co zmniejszy jej masę. Z zewnątrz wyglądałoby to tak, jakby czarna dziura wyrzucała cząstki.
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.
Więc jeśli czarna dziura nie będzie wchłaniać materii i cząstek, każda jej cząstka wyparuje w potwornie wolnym tempie. Jak wolnym? Dziedzina fizyki, zwana termodynamiką czarnej dziury daje nam odpowiedź.
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.
Gdy przedmioty lub ciała niebieskie uwalniają energię do swojego środowiska, postrzegamy to jako ciepło i możemy wykorzystać tę emisję energii do pomiaru temperatury. Termodynamika czarnej dziury sugeruje, że możemy podobnie zdefiniować "temperaturę” czarnej dziury. Teoretyzuje, że im masywniejsza jest czarna dziura, tym niższa jest jej temperatura. Największe czarne dziury wszechświata wydzielają temperatury rzędu 10 do -17 potęgi kelwinów, czyli bardzo blisko zera absolutnego. Tymczasem ciało o masie asteroidy Vesta mające temperaturę bliską 200 stopni Celsjusza, uwalnia przez to dużo energii w postaci promieniowania Hawkinga do zimnego środowiska zewnętrznego. Im mniejsza czarna dziura, tym goręcej wydaje się spalać, i tym szybciej wypali się całkowicie.
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.
Jak szybko? Nie wstrzymuj oddechu. Większość czarnych dziur rośnie lub absorbuje materię i energię szybciej niż emituje promieniowanie Hawkinga. Nawet jeśli czarna dziura z masą naszego Słońca przestanie rosnąć, zajmie to 10 do potęgi 67 lat, o wiele więcej czasu niż obecny wiek Wszechświata, żeby w pełni wyparować. Gdy czarna dziura osiągnie około 230 ton metrycznych, będzie istnieć jeszcze tylko przez jedną sekundę. W tej ostatniej sekundzie jej horyzont zdarzeń stanie się coraz mniejszy, aż w końcu uwolni całą energię z powrotem do wszechświata. Choć promieniowania Hawkinga nigdy bezpośrednio nie obserwowano, niektórzy naukowcy uważają, że pewne błyski gamma wykryte na niebie są w rzeczywistości śladami ostatnich chwil małych, pierwotnych czarnych dziur utworzonych na początku czasu.
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.
W niemal niewyobrażalnie odległej przyszłości, wszechświat może być zimnym i ciemnym miejscem. Ale jeśli Stephen Hawking miał rację, to zanim to nastąpi, zwykle przerażające i nieprzenikliwe czarne dziury przestaną istnieć w ostatecznym blasku chwały.