Jak długo mogą istnieć czarne dziury? Nowe obliczenia wskazują, że krócej niż sądzono

Naukowcy przedstawili nowe obliczenia dotyczące tego, jaki może być czas życia czarnych dziur. Wyniki badania mogą zmienić dotychczasowe spojrzenie na ewolucję jednych z najbardziej tajemniczych obiektów we Wszechświecie.

Jaki jest czas życia czarnych dziur?

Jak wskazują astronomowie, zgodnie z teorią względności czarne dziury powinny istnieć wiecznie. Gdy materia przekroczy ich horyzont zdarzeń, zostaje uwięziona na zawsze, aż do końca istnienia Wszechświata. Jednak ogólna teoria względności jest modelem klasycznym i nie uwzględnia rozmytej, nieokreślonej natury świata kwantowego. Dotychczas nie została opracowana kompletna i spójna teoria kwantowej grawitacji, jednak naukowcy mają pewne pojęcie o kwantowych czarnych dziurach (quantum black holes).

Jedną z głównych cech tych niezwykłych obiektów jest to, że materia i energia mogą z nich uciekać poprzez proces promieniowania Hawkinga. Jak tłumaczą badacze, oznacza to, że cząstki kwantowe mogą od czasu do czasu tunelować przez horyzont zdarzeń, co oznacza, że kwantowe czarne dziury powoli tracą masę. A im mniejsza masa czarnej dziury, tym większe tempo promieniowania Hawkinga.

W miarę starzenia się czarnej dziury traci ona więc masę, co sprawia, że promieniuje coraz intensywniej, aż całkowicie wyparuje. W swojej pracy z 1974 roku Stephen Hawking obliczył czas życia czarnej dziury na około 2 × 10⁶⁷ M³ lat, gdzie masa (M) wyrażona była w masach Słońca. Biorąc pod uwagę, że wiek Wszechświata wynosi zaledwie około 10¹⁰ lat, typowy obiekt tego typu byłby praktycznie wieczny.

Zdaniem naukowców istnieje jednak problem z założeniami Stephena Hawkinga. Głównie dlatego, że astrofizyk zakładał, iż efekt kwantowy jest na tyle mały, że nie wpływa na klasyczną czasoprzestrzeń. Założenie to przestaje działać, gdy masa czarnej dziury staje się znacznie mniejsza od masy Słońca. Nie ma to większego znaczenia dla zwykłych obiektów tego typu, ale dla pierwotnych czarnych dziur już tak. Te hipotetyczne struktury zostały zaproponowane jako możliwe rozwiązanie problemu ciemnej materii, a długość ich życia wpływałaby na ewolucję kosmosu.

Nowe obliczenia

W ramach nowego badania naukowcy z Pennsylvania State University obliczyli minimalny czas życia czarnej dziury w bardziej rygorystyczny sposób. Naukowcy zaczęli od założenia, że czasoprzestrzeń jest asymptotycznie półklasyczna – oznaczało to, że niezależnie od tego, jak dziwne kwantowo (quantum-strange) byłyby zjawiska w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, wystarczająco daleko od niej założenie Hawkinga nadal obowiązywałoby. Astronomowie założyli również, że wszelkie skutki entropii splątania (entanglement entropy) zanikałyby z czasem. Był to sposób poradzenia sobie z problemem „paradoksu informacji” („information paradox”) dotyczącego czarnych dziur. W zależności od tego, jak zostanie on rozwiązany, czas życia czarnych dziur może być dłuższy niż oszacowany w nowych obliczeniach, ale nie będzie krótszy. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Badacze ustalili, że dla masy początkowej M minimalny czas życia czarnej dziury wynosi co najmniej M⁴/ℏ^3/2 (ℏ – stała Diraca), co ich zdaniem było zaskakująco prostym wynikiem. Pokazali również, że parowanie czarnej dziury ma trzy główne fazy. Pierwsza to standardowe promieniowanie Hawkinga, druga to część przejściowa, a trzecia to faza splątania. To właśnie ta ostatnia wymagała teorii kwantowej grawitacji, dlatego naukowcy nie mogli obliczyć maksymalnego czasu życia tych obiektów.

Białe dziury – końcowa ewolucja czarnych dziur?

Jak wskazują astrofizycy, szczególnie interesujące okazało się to, że przy przyjętych ograniczeniach małe czarne dziury mogłyby zachowywać się jak białe dziury. W zależności od natury kwantowej grawitacji obiekty tego typu mogłyby wejść w metastabilny okres, w którym współczynnik przesunięcia ku czerwieni ich promieniowania stawałby się ujemny. W takim przypadku, zdaniem badaczy, wyglądałoby to tak, jakby czarna dziura odpychała materię zamiast ją przyciągać. A tak właśnie miałyby się zachowywać hipotetyczne białe dziury. Gdyby pierwotne czarne dziury istniały, przez około miliard lat znajdowałyby się w fazie promieniowania Hawkinga, po czym mogłyby wejść w metastabilną fazę, w której przypominałyby białe dziury.

Jak podkreślają naukowcy, aby potwierdzić istnienie białych dziur, potrzebna będzie kompletna teoria kwantowej grawitacji, jednak badacze zaznaczają, że warto poszukiwać obiektów je przypominających. Jak dotąd żadnego nie znaleziono, jednak to nowe badanie oznacza, że nie można wykluczyć ich istnienia.

Emil Gołoś