Ada beberapa cara untuk membuat lubang hitam, dari runtuhnya inti supernova hingga penggabungan bintang-bintang neutron dengan runtuhnya sejumlah besar materi. Jika kita ambil batas bawahnya, lubang hitam bisa memiliki 2,5 - 3 massa matahari, tetapi pada batas atas lubang hitam supermasif bisa melebihi 10 miliar massa matahari. Mereka biasanya ditemukan di pusat galaksi. Seberapa stabil mereka? Lubang hitam mana yang akan mengering lebih dulu: besar dan rakus atau kecil?
Apakah ada ukuran kritis untuk stabilitas lubang hitam? Lubang hitam seberat 1012 kilogram bisa stabil selama beberapa miliar tahun. Tapi lubang hitam dengan rentang massa 105 bisa meledak dalam satu detik dan pasti tidak akan stabil. Di mana rata-rata emas, di mana masuknya materi akan sama dengan radiasi Hawking?
Stabilitas lubang hitam
Hal pertama yang harus dimulai adalah stabilitas lubang hitam itu sendiri. Objek lain di Semesta, astrofisika atau lainnya, memiliki kekuatan yang menahannya bersama-sama melawan Semesta yang mencoba untuk menghancurkannya. Atom hidrogen adalah struktur yang kuat; foton ultraviolet tunggal dapat menghancurkannya dengan mengionisasi elektron. Untuk menghancurkan inti atom, Anda membutuhkan partikel berenergi lebih tinggi seperti sinar kosmik, proton yang dipercepat, atau foton sinar gamma.
Tetapi untuk struktur besar seperti planet, bintang, atau bahkan galaksi, gaya gravitasi yang menahannya sangat besar. Sebagai aturan, untuk menghancurkan megastruktur seperti itu, diperlukan reaksi termonuklir atau pengaruh gravitasi yang sangat kuat dari luar - misalnya, dari bintang, lubang hitam, atau galaksi yang lewat.
Namun, dalam kasus lubang hitam, ini tidak terjadi. Massa lubang hitam, alih-alih didistribusikan ke volume, berkontraksi menjadi singularitas. Dalam lubang hitam yang tidak berputar, ini adalah satu titik dengan dimensi nol. Lubang hitam yang berputar tidak jauh lebih baik: cincin satu dimensi yang sangat tipis.
Video promosi:
Selain itu, semua konten massa-energi lubang hitam berada dalam cakrawala peristiwa. Lubang hitam adalah satu-satunya objek di Alam Semesta yang memiliki cakrawala peristiwa: batas yang tidak mungkin kembali lagi. Tidak ada percepatan, dan karena itu tidak ada gaya, yang akan mampu menarik materi, massa atau energi dari cakrawala peristiwa melampaui batasnya.
Ini bisa berarti bahwa lubang hitam, yang terbentuk dengan cara apa pun, hanya dapat tumbuh dan tidak akan pernah hancur. Dan mereka tumbuh, tanpa henti dan tanpa henti. Kami mengamati semua jenis fenomena di alam semesta, seperti:
- quasar;
- blazar;
- inti galaksi aktif;
- mikroquasar;
- bintang yang tidak memancarkan cahaya apa pun;
- Sinar-X dan semburan radio dari pusat galaksi;
yang membawa kita ke lubang hitam. Dengan menentukan massa mereka, kami mencoba mencari tahu ukuran fisik cakrawala peristiwa mereka. Apa pun yang bertabrakan dengannya, melintasinya, atau bahkan menyentuhnya pasti akan jatuh ke dalam. Dan kemudian, berkat kekekalan energi, massa lubang hitam juga akan bertambah.
Proses ini terjadi dengan setiap lubang hitam yang kita kenal. Materi dari bintang lain, debu kosmik, materi antarbintang, awan gas, bahkan radiasi dan neutrino yang tersisa dari Big Bang semuanya dikirim ke sana. Materi apa pun yang bertabrakan dengan lubang hitam akan menambah massanya. Pertumbuhan lubang hitam bergantung pada kepadatan materi dan energi yang mengelilingi lubang hitam; monster di pusat Bima Sakti kita tumbuh dengan kecepatan 1 massa matahari setiap 3000 tahun; lubang hitam di pusat galaksi Sombrero tumbuh dengan kecepatan 1 kali massa matahari dalam 20 tahun.
Semakin besar dan berat lubang hitam Anda, rata-rata, semakin cepat pertumbuhannya, tergantung pada materi yang ditemuinya. Tingkat pertumbuhannya melambat seiring waktu, tetapi karena alam semesta baru berusia sekitar 13,8 miliar tahun, lubang hitam tumbuh dengan indah.
Di sisi lain, lubang hitam tidak tumbuh begitu saja; ada juga proses penguapan mereka: radiasi Hawking. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ruang sangat melengkung di dekat cakrawala peristiwa, tetapi meluruskan seiring dengan jarak. Jika Anda berada pada jarak yang sangat jauh, Anda dapat melihat sejumlah kecil radiasi yang dipancarkan dari wilayah lengkung di dekat cakrawala peristiwa, karena fakta bahwa ruang hampa kuantum memiliki sifat yang berbeda di wilayah lengkung ruang yang berbeda.
Hasil akhirnya adalah bahwa lubang hitam memancarkan radiasi termal dari benda hitam (kebanyakan dalam bentuk foton) ke segala arah di sekitarnya, dalam volume ruang yang pada dasarnya melingkupi sekitar sepuluh jari-jari Schwarzschild di lokasi lubang hitam. Dan ini mungkin tampak aneh, tetapi semakin kecil lubang hitamnya, semakin cepat ia menguap.
Radiasi Hawking adalah proses yang sangat lambat di mana lubang hitam bermassa Matahari kita akan menguap setelah 10 (pangkat 64) tahun; lubang di pusat Bima Sakti kita - dalam 10 (pangkat 87) tahun, dan yang paling masif di Semesta - dalam 10 (pangkat 100) tahun. Untuk menghitung waktu penguapan lubang hitam dengan rumus sederhana, Anda perlu mengambil kerangka waktu Matahari kita dan mengalikannya dengan (massa lubang hitam / massa Matahari).
Dari situ dapat disimpulkan bahwa lubang hitam dengan massa bumi akan hidup selama 10 (dengan kekuatan 47) tahun; lubang hitam dengan massa Piramida Besar di Giza (6 juta ton) - sekitar seribu tahun; dengan massa dari Empire State Building - sekitar satu bulan; dengan massa orang biasa - picosecond. Semakin sedikit massa, semakin cepat lubang hitam menguap.
Sejauh yang kami ketahui, alam semesta dapat berisi lubang hitam dengan ukuran yang sangat berbeda. Jika diisi dengan lubang hitam ringan - hingga satu miliar ton - semuanya akan menguap hari ini. Tidak ada bukti bahwa ada lubang hitam bermassa di antara paru-paru ini dan yang lahir dalam proses penggabungan bintang neutron - dalam teori, mereka memiliki massa 2,5 solar. Di atas batas tersebut, studi sinar-X menunjukkan adanya lubang hitam pada rentang massa matahari 10-20; LIGO menunjukkan lubang hitam antara 8 dan 62 massa matahari; juga menemukan lubang hitam supermasif di seluruh alam semesta.
Saat ini, semua lubang hitam yang ada memperoleh materi lebih cepat daripada kehilangan materi akibat radiasi Hawking. Lubang hitam bermassa matahari kehilangan energi sekitar 10 (pangkat -28) J setiap detik. Tetapi jika Anda mempertimbangkan itu:
- bahkan satu foton CMB memiliki energi jutaan kali lebih banyak;
- 411 dari foton ini per sentimeter kubik ruang tersisa setelah Big Bang;
- mereka bergerak dengan kecepatan cahaya, bertabrakan 10 triliun kali per detik di setiap sentimeter kubik;
bahkan lubang hitam yang terisolasi jauh di dalam ruang antargalaksi akan menunggu sampai alam semesta menjadi 10 (pangkat 20) tahun - satu miliar kali usianya saat ini - sebelum tingkat pertumbuhan lubang hitam turun di bawah tingkat radiasi Hawking.
Tapi mari bermain game. Misalkan Anda tinggal di ruang antargalaksi, jauh dari materi biasa dan materi gelap, jauh dari semua sinar kosmik, radiasi bintang, dan neutrino, dan Anda hanya memiliki foton dari Big Bang untuk diajak mengobrol. Seberapa besar lubang hitam Anda yang dibutuhkan untuk laju penguapan (radiasi Hawking) dan penyerapan foton oleh lubang hitam (pertumbuhan) Anda untuk saling menyeimbangkan?
Jawabannya diperoleh di wilayah 10 (pangkat 23) kg, yaitu kira-kira dengan massa planet Merkurius. Jika Merkurius adalah lubang hitam, diameternya akan setengah milimeter dan memancarkan sekitar 100 triliun kali lebih cepat daripada lubang hitam bermassa matahari. Dengan massa di alam semesta kita inilah lubang hitam akan menyerap radiasi gelombang mikro sebanyak yang hilang dalam proses radiasi Hawking.
Tetapi jika Anda menginginkan lubang hitam yang realistis, Anda tidak dapat mengisolasinya dari materi yang tersisa di alam semesta. Lubang hitam, bahkan ketika dikeluarkan dari galaksi, masih terbang melalui medium antar galaksi, bertabrakan dengan sinar kosmik, cahaya bintang, neutrino, materi gelap dan segala jenis partikel, masif dan tak bermassa. Latar belakang gelombang mikro kosmik tidak dapat dihindari kemanapun Anda pergi. Lubang hitam secara konstan mengkonsumsi materi dan energi dan tumbuh dalam massa dan ukuran. Ya, mereka juga memancarkan energi, tetapi agar semua lubang hitam di alam semesta kita mulai menipis lebih cepat daripada pertumbuhannya, dibutuhkan waktu sekitar 100 triliun tahun.
Dan penguapan terakhir akan memakan waktu lebih lama lagi.
Ilya Khel
