Излучение Хокинга – это процесс порождения полями гравитации черной дыры элементарных частиц. Данное явление считают фундаментальным в физике.
Часто излучение Хокинга называют явлением испарения черных дыр, при котором происходит испускание разных элементарных частиц, по большей части – фотонов.
В науке пока не существует официального экспериментального подтверждения наличия излучения Хокинга.
Считают, что черная дыра, имеющая массу нашего Солнца может излучать подобно телу, обладающему температурой, равной $10^{-6}$К, что показывает крайнюю слабость излучения Хокинга. Испарение такой интенсивности привело бы к тому, что «наша» черная дыра полностью исчезла в течении $10^{67}$ лет (при отсутствии реликтового излучения).
Возраст Вселенной по расчетам ученых составляет $1,375 \bullet 10^{10}$ лет.
Черные дыры большой массы обладают меньшей температурой, чем малые черные дыры. Предположительно в настоящее время коллапс звезды в черную дыру возможен только, если ее масса будет более 2,5 масс Солнца. Если бы возникла черная дыра массой $10^5$ кг, то она испарилась менее, чем за секунду, из-за излучения Хокинга.
Исследователи считают, что зарегистрировать излучение Хокинга можно будет исключительно от черных дыр, которые возникли и испарились в ранней Вселенной. Тогда из-за большой плотности материи была возможность формирования малых и очень легких черных дыр.
На сегодняшний день излучение таких объектов космоса как черные дыры изучено мало.
Излучение черных дыр
Хокинг определял черную дыру, как область, которую ни что не может покинуть. По словам ученого черная дыра возникает тогда, когда очень большая звезда, сжимаясь, совершает коллапс. Гравитационное поле этого объекта становится крайне большим.
Границы области черной дыры носят название горизонта событий.
Представление о черной дыре, как объекте, который не может излучать, а только поглощает вещество и излучение, является справедливым, если не принимаются во внимание квантовые эффекты.
Хокинг стал исследовать, как ведут себя элементарные частицы около горизонта событий черной дыры, учитывая квантово-механические эффекты. Ученый понял, что частицы способны покидать пределы черной дыры, то есть данный космический объект не является абсолютно черным, около него должна наблюдаться некоторая радиация.
О возможности излучения частиц черными дырами в семидесятых годах прошлого века (до Хокинга) заявляли советские ученые:
- Я. Зельдович и
- А. Старобинский.
Принципиальное отличие гипотезы Хокинга от предположения советских ученых в том, что он описал механизм излучения черных дыр.
Научно – популярное изложение механизма излучения Хокинга таково:
- Пространство черной дыры заполняют виртуальные частицы (Зельдович и Старобинский говорили о реальных частицах).
- Эти частицы материализуются парами. Суммарный импульс частиц равен нулю. Гравитационное поле черной дыры может растянуть составные части пары.
- Одна частица при этом имеет положительную энергию, она может улететь от черной дыры в бесконечность. Вторая частица обладает отрицательной энергией, она падает под горизонт событий.
- В этом процессе черная дыра уменьшает свою массу, происходит потеря энергии. Происходит излучение от черной дыры в пространство Вселенной. Теоретически должно существовать и излучение отрицательной энергии внутрь дыры.
В своих научных работах Хокинг показывал то, что черные дыры излучают, рассматривая перестройку вакуума квантовых полей в процессе звездного коллапса с образованием черной дыры.
Хокинг основываясь на наличии излучения черных дыр, предположил, что срок существования черной дыры ограничен. Излучение этих космических объектов со временем усиливается, концом черной дыры становится взрыв гигантского размера.
Излучение Хокинга показывает, что гравитационное сжатие не является окончательным. Если тело упадет в черную дыру, то оно будет возвращено во внешнюю область Вселенной как радиация. Таким образом, тело будет переработано.
Что происходит с черной дырой?
Сам Хокинг полагал, что черные дыры сами не испускают излучение. При этом фотоны, которые покидают черную дыру обладают тепловым спектром. С точки зрения наблюдателя такое поведение частиц может быть рассмотрено как – будто черная дыра теряет энергию, излучая, как каждое нагретое тело.
Была предложена формула для вычисления температуры, которая соответствует излучению Хокинга:
$T=\frac{hc^3}{16\pi kGM} (1),$
где $h$ - постоянная Планка, $c$ - скорость света, $k$ - постоянная Больцмана, $G$ - гравитационная постоянная, $M$ - масса дыры.
Формула (1) указывает на то, что, чем больше масса черной дыры, тем меньше температура, которая соответствует излучению.
Отличие черной дыры от звезды в том, что при уменьшении ее энергии, дыра увеличивает свою температуру. Уменьшение массы черной дырой означает уменьшение ее радиуса. В результате с потерей массы интенсивность излучения черной дыры увеличивается.
В 2016 году в прессе были сообщения о том, что обнаружен аналог квантового излучения Хокинга. В эксперименте использовали акустическую модель горизонта событий. Данная модель основывалась на эффекте Урну.
Эффект Урну
Эффект Урну стал основой для альтернативного пояснения излучения Хокинга.
Эффектом Урну называют гипотетический квантовый эффект, состоящий в том, что можно наблюдать тепловое излучение, находясь в системе отсчета, которая перемещается с ускорением, даже если такового нет в инерциальной системе отсчета.
Следствием данного эффекта становится то, что физический вакуум (в основном квантовом состоянии) в инерциальной системе отсчета, становится состоянием с температурой отличной от нуля в системе отсчета, движущейся с ускорением. Б. Урну предположил, что состояние вакуума зависит от вида движения наблюдателя в пространстве и времени (вакуум становится относительным понятием).
Эффект Урну используют в качестве альтернативного пояснения излучения Хокинга. При этом вакуум около объекта, совершающего коллапс с ускорением, для наблюдающего, будет наполнен тепловым излучением.
