Existem várias maneiras de criar um buraco negro, desde o colapso de um núcleo de supernova até a fusão de estrelas de nêutrons com o colapso de uma grande quantidade de matéria. Se tomarmos o limite inferior, os buracos negros podem ter 2,5 - 3 massas solares, mas no limite superior os buracos negros supermassivos podem exceder 10 bilhões de massas solares. Eles geralmente são encontrados no centro das galáxias. Eles são estáveis? Qual buraco negro vai secar primeiro: grande e voraz ou pequeno?
Existe um tamanho crítico para a estabilidade de um buraco negro? Um buraco negro pesando 1.012 kg pode ser estável por vários bilhões de anos. Mas um buraco negro na faixa de 105 pode explodir em um segundo e definitivamente não será estável. Onde está o meio dourado, no qual o fluxo de matéria será igual à radiação Hawking?
Estabilidade de buracos negros
A primeira coisa para começar é a estabilidade do próprio buraco negro. Qualquer outro objeto no Universo, astrofísico ou não, tem forças que o mantêm unido contra o Universo que está tentando separá-lo. O átomo de hidrogênio é uma estrutura forte; um único fóton ultravioleta pode destruí-lo ionizando um elétron. Para destruir um núcleo atômico, você precisa de uma partícula de alta energia como um raio cósmico, um próton acelerado ou um fóton de raio gama.
Mas para grandes estruturas como planetas, estrelas ou mesmo galáxias, as forças gravitacionais que as sustentam são enormes. Como regra, para romper tal megaestrutura, é necessária uma reação termonuclear ou um efeito incrivelmente forte da gravidade de fora - por exemplo, de uma estrela, buraco negro ou galáxia que passa.
No caso dos buracos negros, entretanto, esse não é o caso. A massa do buraco negro, em vez de ser distribuída sobre o volume, contrai-se em uma singularidade. Em um buraco negro não giratório, este é um ponto com dimensão zero. Um buraco negro giratório não é muito melhor: um anel infinitamente fino e unidimensional.
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Além disso, todo o conteúdo de massa e energia de um buraco negro está dentro do horizonte de eventos. Os buracos negros são os únicos objetos no Universo que têm um horizonte de eventos: um limite além do qual é impossível retornar. Nenhuma aceleração e, portanto, nenhuma força será capaz de puxar matéria, massa ou energia do horizonte de eventos além de seus limites.
Isso pode significar que os buracos negros, formados de todas as formas possíveis, só podem crescer e nunca serão destruídos. E eles crescem, implacavelmente e sem parar. Observamos todos os tipos de fenômenos no Universo, tais como:
- quasares;
- blazares;
- núcleos galácticos ativos;
- microquasares;
- estrelas que não emitem luz;
- Raios-X e rajadas de rádio de centros galácticos;
que nos levam a buracos negros. Ao determinar suas massas, tentamos descobrir as dimensões físicas de seus horizontes de eventos. Qualquer coisa que colida com ele, cruze ou mesmo o toque, inevitavelmente cairá para dentro. E então, graças à conservação de energia, a massa do buraco negro também aumentará.
Este processo ocorre com todos os buracos negros que conhecemos. Material de outras estrelas, poeira cósmica, matéria interestelar, nuvens de gás e até mesmo radiação e neutrinos que sobraram do Big Bang são enviados para lá. Qualquer matéria colidindo com um buraco negro aumenta sua massa. O crescimento dos buracos negros depende da densidade da matéria e da energia em torno do buraco negro; o monstro no centro de nossa Via Láctea cresce a uma taxa de 1 massa solar a cada 3.000 anos; o buraco negro no centro da galáxia Sombrero está crescendo a uma taxa de 1 massa solar em 20 anos.
Quanto maior e mais pesado seu buraco negro, em média, mais rápido ele cresce, dependendo do material que encontra. Sua taxa de crescimento diminui com o tempo, mas como o universo tem apenas 13,8 bilhões de anos, os buracos negros crescem lindamente.
Por outro lado, os buracos negros não crescem apenas com o tempo; há também um processo de sua evaporação: radiação Hawking. Isso se deve ao fato de que o espaço é fortemente curvo próximo ao horizonte de eventos, mas se endireita com a distância. Se você estiver a uma grande distância, poderá ver uma pequena quantidade de radiação emitida pela região curva perto do horizonte de eventos, devido ao fato de que o vácuo quântico tem propriedades diferentes em diferentes regiões curvas do espaço.
O resultado final é que os buracos negros emitem radiação térmica de um corpo negro (principalmente na forma de fótons) em todas as direções ao seu redor, em um volume de espaço que basicamente abrange cerca de dez raios de Schwarzschild no local do buraco negro. E pode parecer estranho, mas quanto menor o buraco negro, mais rápido ele evapora.
A radiação Hawking é um processo incrivelmente lento no qual um buraco negro com a massa do nosso Sol evaporará após 10 (à potência de 64) anos; o buraco no centro de nossa Via Láctea - em 10 (potencia de 87) anos, e o mais maciço do Universo - em 10 (potencia de 100) anos. Para calcular o tempo de evaporação de um buraco negro com uma fórmula simples, você precisa pegar a estrutura de tempo de nosso Sol e multiplicar por (massa do buraco negro / massa do Sol).
de onde se segue que um buraco negro com a massa da Terra viverá por 10 (à potência de 47) anos; um buraco negro com a massa da Grande Pirâmide de Gizé (6 milhões de toneladas) - cerca de mil anos; com a massa do Empire State Building - cerca de um mês; com a massa de uma pessoa comum - um picossegundo. Quanto menos massa, mais rápido o buraco negro se evapora.
Pelo que sabemos, o universo pode conter buracos negros de tamanhos inimaginavelmente diferentes. Se fosse preenchido com buracos negros leves - até um bilhão de toneladas - todos teriam evaporado até hoje Não há evidências de que existam buracos negros com uma massa entre esses pulmões e aqueles que nascem no processo de fusão de estrelas de nêutrons - em teoria, eles tem uma massa de 2,5 solares. Acima desses limites, estudos de raios-X indicam a existência de buracos negros na faixa de massa solar de 10-20; LIGO mostrou um buraco negro entre 8 e 62 massas solares; também encontre buracos negros supermassivos em todo o universo.
Hoje, todos os buracos negros existentes estão ganhando matéria mais rápido do que perdendo devido à radiação Hawking. Um buraco negro com massa solar perde cerca de 10 (elevado a -28) J de energia a cada segundo. Mas se você considerar isso:
- mesmo um fóton CMB tem um milhão de vezes mais energia;
- 411 desses fótons por centímetro cúbico de espaço permaneceram após o Big Bang;
- eles se movem à velocidade da luz, colidindo 10 trilhões de vezes por segundo a cada centímetro cúbico;
mesmo um buraco negro isolado nas profundezas do espaço intergaláctico irá esperar até que o universo amadureça para 10 (à potência de 20) anos - um bilhão de vezes sua idade atual - antes que a taxa de crescimento do buraco negro caia abaixo da taxa de radiação de Hawking.
Mas vamos jogar um jogo. Suponha que você viva no espaço intergaláctico, longe da matéria comum e escura, longe de todos os raios cósmicos, radiação estelar e neutrinos, e você tenha apenas fótons do Big Bang para conversar. Qual o tamanho que seu buraco negro precisa ter para a taxa de evaporação (radiação Hawking) e a absorção de fótons por seu buraco negro (crescimento) para equilibrar um ao outro?
A resposta é obtida na região de 10 (à potência de 23) kg, ou seja, aproximadamente com a massa do planeta Mercúrio. Se Mercúrio fosse um buraco negro, teria meio milímetro de diâmetro e irradiaria cerca de 100 trilhões de vezes mais rápido do que um buraco negro de massa solar. É com essa massa em nosso universo que um buraco negro absorveria tanta radiação de micro-ondas quanto a perdida no processo da radiação de Hawking.
Mas se você quer um buraco negro realista, não pode isolá-lo da matéria remanescente no universo. Os buracos negros, mesmo quando ejetados das galáxias, ainda voam pelo meio intergaláctico, colidindo com raios cósmicos, luz das estrelas, neutrinos, matéria escura e todos os tipos de partículas, massivas e sem massa. A radiação cósmica de fundo é inevitável onde quer que você vá. Os buracos negros consomem constantemente matéria e energia e crescem em massa e tamanho. Sim, eles também emitem energia, mas para que todos os buracos negros em nosso Universo comecem a se esgotar mais rápido do que crescem, levará cerca de 100 quintilhões de anos.
E a evaporação final vai demorar ainda mais.
Ilya Khel
