ASIA 9: Häviävätkö mustat aukotkin lopulta?

Deep Thinker

Avaruudessa on olemassa niin sanottuja mustia aukkoja. Ne ovat suunnattoman tiheitä keskittymiä, joilla on valtava vetovoima. Niistä ei pitäisi karata mikään, ei edes valo. Kerro, miksi mustasta aukosta kuitenkin pääsee ulos ”höyryä”? 

Gemini

Tämä on yksi teoreettisen fysiikan kiehtovimmista kysymyksistä, ja se liittyy Stephen Hawkingin kuuluisaan oivallukseen, jota kutsutaan Hawkingin säteilyksi.

Vaikka mustasta aukosta ei pitäisi perinteisesti päästä mikään ulos, kvanttitason ilmiöt tekevät siihen pienen "reiän". Tässä on selitys sille, mitä se "höyry" oikein on.

1. Mistä se "höyry" koostuu?

Kyseessä ei ole vesihöyryä tai mitään kaasua, vaan se on sähkömagneettista säteilyä (pääasiassa fotoneja eli valohiukkasia).

Ilmiö perustuu siihen, että tyhjä avaruus ei olekaan tyhjää, vaan siellä syntyy ja katoaa jatkuvasti "virtuaalihiukkaspareja" (hiukkanen ja antihiukkanen). Normaalisti ne tuhoavat toisensa välittömästi, mutta mustan aukon reunalla (tapahtumahorisontissa) käykin näin:

• Juuri horisontin rajalla toinen hiukkasista putoaa mustaan aukkoon.
• Toinen hiukkanen jääkin yksin ja karkaa avaruuteen.
• Koska maailmankaikkeudessa energian on säilyttävä, musta aukko "maksaa" karkaavan hiukkasen energian omasta massastaan. Näin musta aukko pienenee hieman jokaisen karkaavan hiukkasen myötä.

2. Mitä "höyrylle" tapahtuu ja muodostaako se uusia hiukkasia?

Se, mitä karkaavalle säteilylle tapahtuu, riippuu mustan aukon lämpötilasta (joka taas riippuu sen koosta):

• Normaalit mustat aukot: Niistä irtoava säteily on niin heikkoa (erittäin pitkiä radioaaltoja), että se vain leviää avaruuteen taustakohinaksi. Se on käytännössä "energiaa", joka jatkaa matkaansa ikuisesti.
• Pienet, loppuvaiheen mustat aukot: Kun musta aukko kutistuu riittävän pieneksi, sen säteily voimistuu. Se alkaa säteillä näkyvää valoa, röntgensäteitä ja lopulta se "höyrystyy" räjähdyksenomaisesti. Tässä vaiheessa se voi muodostaa ihan tavallisia hiukkasia, kuten elektroneja, positroneja ja neutriinoja.

3. Mihin se menee ja onko se "inaktivoitunutta"?

Se ei mene minnekään erityiseen paikkaan, vaan se muuttuu osaksi maailmankaikkeuden yleistä energia- ja hiukkaspuuroa.

• Se ei ole inaktivoitunutta. Ne hiukkaset (fotonit, elektronit jne.), jotka mustasta aukosta irtoavat, ovat täysin normaaleja hiukkasia.
• Jos mustasta aukosta irtoaa elektroni, se voi myöhemmin päätyä osaksi uutta tähteä, planeettaa tai vaikkapa IC-junan matkustajaa.

4. Aikajänne on käsittämätön

Mustan aukon höyrystyminen on niin hidasta, että meidän on vaikea edes kuvitella sitä lukua. Tavallisen, tähden kokoisen mustan aukon katoaminen kestää noin 10⁶⁷ vuotta (ykkönen ja 67 nollaa). Vertailun vuoksi maailmankaikkeus on nyt vasta noin 13,8×10⁹ vuotta vanha.

- - -