Il existe plusieurs façons de créer un trou noir, de l'effondrement d'un noyau de supernova à la fusion d'étoiles à neutrons avec l'effondrement d'une énorme quantité de matière. Si nous prenons la limite inférieure, les trous noirs peuvent avoir 2,5 à 3 masses solaires, mais à la limite supérieure, les trous noirs supermassifs peuvent dépasser 10 milliards de masses solaires. Ils se trouvent généralement dans les centres des galaxies. Dans quelle mesure sont-ils stables? Quel trou noir se tarira en premier: grand et vorace ou petit?
Existe-t-il une taille critique pour la stabilité d'un trou noir? Un trou noir pesant 1012 kilogrammes peut être stable pendant plusieurs milliards d'années. Mais un trou noir dans la gamme de masse 105 peut exploser en une seconde et ne sera certainement pas stable. Où est le juste milieu, auquel l'influx de matière sera égal au rayonnement de Hawking?
Stabilité des trous noirs
La première chose à faire est la stabilité du trou noir lui-même. Tout autre objet de l'Univers, astrophysique ou autre, a des forces qui le maintiennent ensemble contre l'Univers qui tente de le déchirer. L'atome d'hydrogène est une structure forte; un seul photon ultraviolet peut le détruire en ionisant un électron. Pour détruire un noyau atomique, vous avez besoin d'une particule d'énergie plus élevée comme un rayon cosmique, un proton accéléré ou un photon gamma.
Mais pour les grandes structures comme les planètes, les étoiles ou même les galaxies, les forces gravitationnelles qui les retiennent sont énormes. En règle générale, pour rompre une telle mégastructure, une réaction thermonucléaire ou un effet de gravité incroyablement puissant de l'extérieur est nécessaire - par exemple, à partir d'une étoile, d'un trou noir ou d'une galaxie qui passe.
Dans le cas des trous noirs, cependant, ce n'est pas le cas. La masse du trou noir, au lieu de se répartir sur le volume, se contracte en une singularité. Pour un trou noir non rotatif, il s'agit d'un point de dimension zéro. Un trou noir tournant n'est pas beaucoup mieux: un anneau infiniment fin et unidimensionnel.
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De plus, tout le contenu masse-énergie d'un trou noir se trouve dans l'horizon des événements. Les trous noirs sont les seuls objets de l'Univers qui ont un horizon d'événements: une frontière au-delà de laquelle il est impossible de revenir. Aucune accélération, et donc aucune force, ne pourra tirer de la matière, de la masse ou de l'énergie de l'horizon des événements au-delà de ses limites.
Cela pourrait signifier que les trous noirs, formés de toutes les manières possibles, ne peuvent que se développer et ne seront jamais détruits. Et ils grandissent, sans relâche et sans arrêt. Nous observons toutes sortes de phénomènes dans l'Univers, tels que:
- quasars;
- blazars;
- noyaux galactiques actifs;
- microquasars;
- des étoiles qui n'émettent aucune lumière;
- Rayons X et sursauts radio des centres galactiques;
qui nous mènent aux trous noirs. En déterminant leurs masses, nous essayons de connaître la taille physique de leurs horizons d'événements. Tout ce qui entre en collision avec lui, le traverse ou même le touche tombera inévitablement vers l'intérieur. Et puis, grâce à la conservation de l'énergie, la masse du trou noir augmentera également.
Ce processus se produit avec chaque trou noir que nous connaissons. Du matériel d'autres étoiles, de la poussière cosmique, de la matière interstellaire, des nuages de gaz, même des radiations et des neutrinos laissés par le Big Bang y sont tous envoyés. Toute matière entrant en collision avec un trou noir augmente sa masse. La croissance des trous noirs dépend de la densité de matière et d'énergie entourant le trou noir; le monstre au centre de notre Voie Lactée croît à raison d'une masse solaire tous les 3000 ans; le trou noir au centre de la galaxie du Sombrero croît à un rythme de 1 masse solaire en 20 ans.
Plus votre trou noir est grand et lourd, en moyenne, plus il se développe rapidement, en fonction du matériau qu'il rencontre. Son taux de croissance ralentit avec le temps, mais comme l'univers n'a que 13,8 milliards d'années, les trous noirs poussent magnifiquement.
D'un autre côté, les trous noirs ne se développent pas seulement avec le temps; il y a aussi un processus de leur évaporation: le rayonnement Hawking. Cela est dû au fait que l'espace est fortement incurvé près de l'horizon des événements, mais se redresse avec la distance. Si vous êtes à une grande distance, vous pouvez voir une petite quantité de rayonnement émis par la région incurvée près de l'horizon des événements, car le vide quantique a des propriétés différentes dans différentes régions courbes de l'espace.
Le résultat final est que les trous noirs émettent un rayonnement thermique à partir d'un corps noir (principalement sous forme de photons) dans toutes les directions autour d'eux, dans un volume d'espace qui renferme essentiellement une dizaine de rayons de Schwarzschild à l'emplacement du trou noir. Et cela peut sembler étrange, mais plus le trou noir est petit, plus il s'évapore rapidement.
Le rayonnement de Hawking est un processus incroyablement lent dans lequel un trou noir avec la masse de notre Soleil s'évaporera après 10 (à la puissance de 64) ans; le trou au centre de notre Voie lactée - dans 10 (à la puissance de 87) ans, et le plus massif de l'Univers - dans 10 (à la puissance de 100) ans. Pour calculer le temps d'évaporation d'un trou noir avec une formule simple, vous devez prendre le laps de temps de notre Soleil et multiplier par (masse du trou noir / masse du Soleil).
d'où il suit qu'un trou noir avec la masse de la Terre vivra pendant 10 (à la puissance de 47) ans; un trou noir avec la masse de la Grande Pyramide à Gizeh (6 millions de tonnes) - environ mille ans; avec la masse de l'Empire State Building - environ un mois; avec la masse d'une personne ordinaire - une picoseconde. Moins il y a de masse, plus le trou noir s'évapore rapidement.
Pour autant que nous le sachions, l'univers pourrait contenir des trous noirs de tailles inimaginablement différentes. S'il était rempli de trous noirs légers - jusqu'à un milliard de tonnes - ils se seraient tous évaporés aujourd'hui Il n'y a aucune preuve qu'il y ait des trous noirs avec une masse entre ces poumons et ceux qui sont nés dans le processus de fusion d'étoiles à neutrons - en théorie, ils avoir une masse solaire de 2,5. Au-dessus de ces limites, les études aux rayons X indiquent l'existence de trous noirs dans la gamme de masse solaire 10-20; LIGO a montré un trou noir entre 8 et 62 masses solaires; trouvez également des trous noirs supermassifs dans tout l'univers.
Aujourd'hui, tous les trous noirs existants gagnent de la matière plus rapidement qu'ils ne la perdent en raison du rayonnement Hawking. Un trou noir avec une masse solaire perd environ 10 (à la puissance -28) J d'énergie par seconde. Mais si vous considérez cela:
- même un photon CMB a un million de fois plus d'énergie;
- 411 de ces photons par centimètre cube d'espace sont restés après le Big Bang;
- ils se déplacent à la vitesse de la lumière, se heurtant 10 trillions de fois par seconde dans chaque centimètre cube;
même un trou noir isolé au fond de l'espace intergalactique attendra que l'univers ait atteint 10 ans (à la puissance de 20) ans - un milliard de fois son âge actuel - avant que le taux de croissance du trou noir ne tombe en dessous du taux de rayonnement de Hawking.
Mais jouons à un jeu. Supposons que vous vivez dans un espace intergalactique, loin de la matière ordinaire et de la matière noire, loin de tous les rayons cosmiques, du rayonnement stellaire et des neutrinos, et que vous n'avez que des photons du Big Bang pour discuter. Quelle doit être la taille de votre trou noir pour que le taux d'évaporation (rayonnement de Hawking) et l'absorption des photons par votre trou noir (croissance) s'équilibrent?
La réponse est obtenue aux alentours de 10 (à la puissance de 23) kg, c'est-à-dire approximativement avec la masse de la planète Mercure. Si Mercure était un trou noir, il aurait un demi-millimètre de diamètre et irait environ 100 billions de fois plus vite qu'un trou noir de masse solaire. C'est avec cette masse dans notre univers qu'un trou noir absorberait autant de rayonnement micro-ondes qu'il en perdrait dans le processus de rayonnement de Hawking.
Mais si vous voulez un trou noir réaliste, vous ne pouvez pas l'isoler de la matière restante dans l'univers. Les trous noirs, même lorsqu'ils sont éjectés des galaxies, volent encore à travers le milieu intergalactique, entrant en collision avec les rayons cosmiques, la lumière des étoiles, les neutrinos, la matière noire et toutes sortes de particules, massives et sans masse. Le fond cosmique des micro-ondes est incontournable où que vous alliez. Les trous noirs absorbent constamment la matière et l'énergie et augmentent en masse et en taille. Oui, ils émettent également de l'énergie, mais pour que tous les trous noirs de notre Univers commencent à s'épuiser plus vite qu'ils ne grandissent, il faudra environ 100 quintillions d'années.
Et l'évaporation finale prendra encore plus.
Ilya Khel
