Hverfur allt sem fer inn í svarthol eða kemur eitthvað út úr þeim aftur?

Svar

Samkvæmt sígildri eðlisfræði hverfur allt sem fer inn í svarthol sjónum þess sem situr fyrir utan. En ef skammtafræði er tekin með í reikninginn kemur í ljós að svarthol senda frá sér geislun.

Svarthol eru dularfull og spennandi fyrirbæri sem komu fyrst fram sem mögulegar lausnir á jöfnum almennu afstæðiskenningar Einsteins en hafa síðan fundist í náttúrunni. Samkvæmt skilgreiningu eru þau svæði í tímarúminu þar sem þyngdaraflið er svo sterkt að ekkert getur sloppið þaðan, ekki einu sinni ljósgeislar.


Teikning listamanns af svartholi og efni umhverfis það.
Eitt af því sem gerir svarthol svona spennandi er sú staðreynd að ekkert efni sem berst inn fyrir sjóndeild (e. event horizon) svarthols á þaðan afturkvæmt. En þótt athugendur í fjarska geti ekki séð efnið lengur er strangt til tekið ekki rétt að segja að það hverfi, að minnsta kosti ekki sporlaust! Massi efnisins hverfur til dæmis ekki heldur bætist hann við massa svartholsins. Það sama gildir um rafhleðslu og hverfiþunga.

Það er líka mikilvægt að gera greinarmun á mismunandi athugendum því að svartholum er lýst með almennu afstæðiskenningunni og þar gildir gamla klisjan: allt er afstætt. Athugandi sem fellur með efninu inn í svartholið verður ekki var við neitt sérstakt þegar farið er inn fyrir sjóndeildina. Frá hans bæjardyrum séð hverfur efnið alls ekki.

Ef eingöngu er stuðst við sígilda eðlisfræði og almennu afstæðiskenninguna kemur ekkert út úr svartholum. Ef skammtaáhrif eru hins vegar tekin með í reikninginn eins og Stephen Hawking gerði árið 1975 kemur í ljós að svarthol senda frá sér varmageislun sem nefnd hefur verið Hawking-geislun.

Svarthol hafa einkennandi hitastig sem nefnist Hawking-hitastig og vex það í öfugu hlutfalli við massa svartholsins. Þetta hitastig er venjulega afar lágt, fyrir svarthol sem hefur sama massa og sólin okkar er það til dæmis aðeins sextíu nanókelvín eða sextíu milljörðustu hlutar af Celsíus-gráðu yfir alkuli, en alkul er -273,15ºC. Þetta er svo lágt hitastig að nánast er útilokað að nokkurn tíma verði hægt að mæla Hawking-geislun frá slíkum svartholum.

Ef ekkert nýtt efni fellur inn í svarthol minnka þau með tímanum vegna útgeislunarinnar og gufa að lokum alveg upp. Eftir því sem massinn minnkar eykst hitastigið og útgeislunin þar með. Það tekur venjulegt svarthol þó afar langan tíma að gufa upp því áætlað er að líftími svarthols sem hefur sama massa og sólin sé 10⁷¹ sekúndur eða um það bil 10⁵³ sinnum lengri en aldur alheimsins.

Þar sem svarthol senda frá sér geislun gæti mönnum dottið í hug að fræðilega væri unnt að lesa úr geisluninni upplýsingar um þá hluti sem hafa fallið inn í svartholið. Þannig væri hægt að endurheimta það sem áður var talið týnt og tröllum gefið. Slíkar heimtur brjóta hins vegar í bága við reglur skammtafræðinnar um tímaþróun. Það er vegna þess að varmageislun frá svartholi er alltaf blandað skammtaástand, en ef efni í hreinu ástandi hafði fallið inn ætti samkvæmt tímaþróun í skammtafræði að koma hreint ástand út aftur. Þessi þversögn kallast upplýsingagáta Hawkings og er mikilvægt vandamál í nútímaeðlisfræði sem ekki er hægt að fjalla ítarlega um í þessu svari.

Áhugasömum lesendum er bent á nýlega grein eftir Lárus Thorlacius sem kallast „Svarthol og skammtafræði“ og birtist í Tímariti um raunvísindi og stærðfræði. Greinin er aðgengileg á slóðinni: http://www.raust.is/2004/2/14/

Einnig má benda á áhugaverða gagnvirka vefsíðu um svarthol: Space Telescope Science Institute: Black Holes: Gravity's Relentless Pull.

Mynd: Imagine the Universe!