Είναι οι “Μαύρες Τρύπες” πραγματικά μαύρες;

Σίγουρα θα έχετε ακούσει ότι “τίποτα δεν ξεφεύγει από μια μαύρη τρύπα, ούτε καν το φως”! Γενικά αυτό είναι σωστό, γι’ αυτό και λέγονται “μαύρες” άλλωστε. Ωστόσο, υπάρχουν και εξαιρέσεις στον κανόνα, δηλαδή υπάρχουν διαδικασίες με τις οποίες μια μελανή οπή μπορεί να αλληλεπιδράσει με το περιβάλλον της, εκπέμποντας ενέργεια. Μια από αυτές είναι η ακτινοβολία Hawking. Στα γρήγορα: Ακτινοβολία Hawking ονομάζουμε μια ροή φωτονίων που παράγεται κοντά στον “ορίζοντα γεγονότων” μιας μαύρης τρύπας, εξαιτίας κβαντικών φαινομένων.

Ας δούμε όμως το φαινόμενο με λίγη περισσότερη προσοχή.

Αυτή βασίζεται σε κβαντομηχανικά φαινόμενα στο περιβάλλον μιας μαύρης τρύπας. Χωρίς να μπούμε σε λεπτομέρειες, το γεγονός που μας ενδιαφέρει είναι ότι σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, μπορεί στιγμιαία να δημιουργηθεί ένα ζεύγος σωματιδίου – αντισωματιδίου οπουδήποτε στο χώρο. Αυτά βέβαια συνήθως δεν τα παρατηρούμε γιατί εξαϋλώνονται μεταξύ τους σε απειροστά μικρό χρόνο*. Το “plot twist” στην περίπτωση μας, είναι να δούμε τι θα συμβεί όταν το ζεύγος αυτό παράγεται κοντά σε μια μαύρη τρύπα.

Οι μαύρες τρύπες περιβάλλονται από έναν “ορίζοντα γεγονότων”, δηλαδή μια νοητή επιφάνεια από το εσωτερικό της οποίας δεν μπορεί να “δραπετεύσει” ούτε το ίδιο το φως. Πώς επηρεάζει αυτό τα ζεύγη σωματιδίων (φωτόνια στη περίπτωση μας**) που αναφέραμε πριν; Πολύ απλά, αν τύχει και παραχθούν πολύ κοντά στη μαύρη τρύπα το ένα από αυτά ίσως περάσει πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων, ενώ το άλλο θα “δραπετεύσει” (Βλέπε Εικόνα). Έτσι δε θα ξανασυναντηθούν για να εξαϋλωθούν, και αυτό που θα απομακρυνθεί από τη μαύρη τρύπα θα αποτελέσει ένα από τα φωτόνια της “ακτινοβολίας Hawking”.

Αυτό το φαινόμενο οδηγεί σε απώλεια ενέργειας από τη μαύρη τρύπα, που ονομάζουμε “εξάτμιση” μιας μελανής οπής και τελικά μπορεί να οδηγήσει σε εξαφάνιση της. Η ακτινοβολία που παράγεται έχει τη κατανομή “μέλανος σώματος” με χαρακτηριστική θερμοκρασία που είναι αντιστρόφως ανάλογη της μάζας (δηλαδή όσο μικρότερη είναι η μάζα της μαύρης τρύπας, τόσο μεγαλύτερη η θερμοκρασία της ακτινοβολίας Hawking) και θεωρείται ότι εξαιτίας της εξαφανίστηκαν οι πιο μικρές αρχέγονες (primordial) μαύρες τρύπες του Σύμπαντος.

Κλείνοντας να σημειώσουμε ότι η ακτινοβολία Hawking μέχρι στιγμής ΔΕΝ έχει παρατηρηθεί (και πιθανόν είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθεί άμεσα, εξαιτίας της πολύ μικρής έντασής της). Παρόλα αυτά, από πολλούς φυσικούς, θεωρείται ένα φαινόμενο με “γερές βάσεις” στις θεωρίες που έχουν μέχρι στιγμής προταθεί, ενώ την ίδια στιγμή αποτελεί ίσως ένα σημαντικό βήμα προς μία κβαντική θεωρία βαρύτητας!

*Αυτό που συμβαίνει είναι ότι οι αρχές της κβαντομηχανικής επιτρέπουν στο ζεύγος να “δανειστεί” προσωρινά ενέργεια, αλλά με τον “όρο” να την επιστρέψει πίσω μετά από ένα (μικρό) χρονικό διάστημα. Γι’ αυτό ίσως έχετε ακούσει ότι τελικά το “κενό”, δεν είναι τόσο κενό, αλλά γεμάτο με κβαντικές διακυμάνσεις (τα ζεύγη που λέγαμε). Ενώ δε μπορούμε να παρατηρήσουμε τις διακυμάνσεις αυτές άμεσα, υπάρχουν μια σειρά φαινόμενα που έχουμε μετρήσει που μας υποδεικνύουν ότι οι επιπτώσεις τους είναι πραγματικές. Κλασικά παραδείγματα είναι η μετατόπιση Lamb στο φάσμα του υδρογόνου και το φαινόμενο Casimir.

** Για να είμαστε ακριβείς, το φαινόμενο αυτό δεν αφορά μόνο φωτόνια, αλλά και σωματίδια με μάζα. Στη πραγματικότητα, σε πολλές περιπτώσεις όπως πολύ “μικρές” μαύρες τρύπες (100 εκατομμύρια φορές λιγότερο μαζικές από τον Ήλιο μας), αφορά κυρίως τα τελευταία (σωματίδια με μάζα), καθώς έχει υπολογιστεί ότι η ακτινοβολία σε μορφή φωτονίων αποτελεί περίπου το 10% της συνολικής ενέργειας. Ωστόσο για άλλες μελανές οπές, για παράδειγμα με μάζα ίση με τον Ήλιο μας, η θερμοκρασία και κατ’ επέκταση η ενέργεια τους, είναι πολύ μικρή για να παράξουν σωματίδια με μη μηδενική μάζα στην αρχική τους φάση.

Περαιτέρω διάβασμα:

1. The Quantum Mechanics of Black Holes, S. Hawking, Scientific American, 1977, vol. 2367
2. Στο Βιβλίο Gravity: From the Ground up, B. Schutz – Ch. 21