Svarta hål är inte helt svarta



















Maskhål

 

Under lång tid trodde man att svarta hål var helt svarta och bara kan absorbera materia och energi. Så är fallet sett med de klassiska lagarna som relativitetsteorin tillhör. Men kombinerar man relativetsteorins lagar med kvantmekanikens, som beskriver naturens uppförande på mikroskopiska avståndsskalor, så visar det sig att svarta hål läcker partiklar och alltså har en temperaturen som inte är noll Kelvin. Anledningen till detta är att enligt kvantmekanikens osäkerhetsprincip så existerar vakuumfluktuationer på mycket små avståndsskalor. Ideligen så lånar naturen energi ur tomma intet i form av partikel-antipartikel par. Energin lämnas normalt sett tillbaka igen efter ett mycket kort ögonblick genom att partikeln kolliderar med antipartikeln. Men om tillräckligt med energi tillförs på något sätt så kan partiklarna börja existera permanent. Vid ett svart hål så finns stora mängder energi tillgänglig i rumtiden p g a dess krökning. Det är därför vanligt att tillräckligt mycket energi skall tillföras det virtuella partikel-antipartikelparet för att det skall bli ett riktigt partikel-antipartikelpar. Då detta sker vid det svarta hålets horisont har en av komponenterna möjligheten att försvinna ut ur det svarta hålets gravitationsfält.

Feynmandiagram över läckage av partiklar från svart hål (Courtesy Stephen Hawking)
Feynmandiagram över läckage av partiklar (och antipartiklar) från svart hål.

Denna princip gäller inte bara för en viss typ av partiklar utan alla typer av partiklar, kombinationer av partiklar och alla typer av vågor. Det skulle t ex vara möjligt att det kommer ut en bingolott ur ett svart hål även om det är oerhört osannolikt.

Sett ur perspektivet i figuren ovan så verkar det som om energin som flyr det svarta hålet endast kommer från rotationsenergin likt genom penroseprocessen. Följande figur visar dock motsatsen.

Alternativt synsätt på hawkingstrålning (Courtesy Stephen Hawking)
Feynmandiagram över alternativ tolkning av läckage av partikel. Här tolkar man det som om en partikel inifrån det svarta hålet, som färdas bakåt i tiden, sprids av gravitationsfältet och konverteras till en partikel som färdas framåt i tiden.

Detta visar att svarta hål kan stråla även då de inte roterar och alltså uppfyller termodynamikens krav i detta fall.

Penroseprocessen har alltså mycket gemensamt med principen bakom hawkingstrålning. Skillnaden är att i penroseprocessen så är det alltid energi utifrån som tillförs utifrån för att utvinna ännu mer energi, processen inte är lika slumpmässig, att den utförs av antingen materia eller antimateria och att den endast utvinner energi från det svarta hålets rotationsenergi.

Ju närmare händelsehorisonten kvantfluktuationen sker desto större är chansen att den skall konverteras till verkliga partiklar men samtidigt är risken större att båda partiklarna dras ner i det svarta hålet. Detta eftersom rumtidskonerna är mer riktade mot det svarta hålets centrum och att gravitationsbrunnen som partikeln måste ta sig ur är djupare.

Ett intressant begrepp när man studerar svarta håls avdunstningsfenomen är accelerationsstrålning. Denna strålning är en följd av relativitetsteorins konsekvenser. Sett från en fritt fallande observatör så bildas virtuella partiklar ideligen p g a kvantmekanikens lagar. Att man kan inse att det rör sig om virtuella partiklar beror på att en fritt fallande observatör kan se både utanför och innanför horisonten. Virtuella partiklar, som tillfälligt lånar energi ur tomma intet, skapas i en region innanför och utanför horisonten. I fallet med en accelererad observatör som alltid håller sig utanför det svarta hålets horisont så ser denne ett hektiskt moln av verkliga partiklar (eftersom observatören inte ser partiklarna innanför horisonten) som rör sig utanför horisonten men som för det mesta faller tillbaka in innanför horisonten. Denna atmosfär av verkliga partiklar kallas för accelerationsstrålning. Bara i enstaka fall så lyckas en av partiklarna i partikel-antipartikel paret att ta sig ut från det svarta hålets gravitationsfält och då är partikeln extremt rödförskjuten. Detta tillåter membranet att vara väldigt hett trots att det svarta hålet på långt avstånd har en mycket låg temperatur som uppgår till Mikrokvanttemperatur Kelvin, d v s mycket kallare än bakgrundsstrålningen ifrån Universums födelse. Detta fenomen kallas för Unruh-effekten efter upptäckaren och är alltså en konsekvens av Hawking-strålningen.

P g a att svarta hål strålar ut partiklar så avdunstar svarta hål om de inte matas med materia. Enligt svartahålmekanikens lagar så är temperaturen T proportionell mot ytgravitationen Kappa via förhållandet Temperatur/massförhållande där k är Stefan-Boltzmanns konstant, h är Plancks konstant, c är ljushastigheten i vakuum och G är gravitationskonstanten. Vi ser därmed att temperaturen T är omvänt proportionell mot massan M. Energin till partiklarna som utgör temperaturen tas ifrån det svarta hålets massa och leder till en massminskning. Följden blir att ju längre ett svart hål strålar utan att matas med mer materia desto mindre blir massan och desto högre blir temperaturen. Avdunstningen går alltså snabbare och snabbare och precis innan ett svart hål är helt avdunstat så är temperaturen extremt hög. Tidsrymden som det tar för ett makroskopiskt svart hål att avdunsta - Hawkings avdunstningstid - är dock ungefär 1066 år vilket är otroliga 1056 gånger längre än tidsrymden som Universum har existerat! I vårt universum så har dock troligtvis materia och energi betydligt större benägenhet att uppsamlas i svarta hål än att strålas ut från dem vilket leder till att en allt större del av materian i Universum kommer att samlas i allt större och färre svarta hål.

Tillbaka till Kosmologikas hemsida Nästa sida