Quand les trous noirs deviennent-ils instables?

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Il existe plusieurs façons de créer les trous noirs que nous connaissons dans l'univers, des supernovae à effondrement de noyau à la fusion d'étoiles à neutrons à l'effondrement direct de quantités énormes de matière. Sur la plus petite extrémité, nous connaissons des trous noirs qui ne représentent peut-être que 2,5 à 3 fois la masse de notre Soleil, tandis que sur la plus grande extrémité, des supermassifs de plus de 10 milliards de masses solaires résident au centre des galaxies. Mais est-ce ça? Et quelle est la stabilité des trous noirs de masses différentes? C'est ce que Nyccolas Emanuel veut savoir, alors qu'il demande:

Existe-t-il une taille critique pour la stabilité des trous noirs? [A] dix¹² kg [black hole] est déjà stable depuis quelques milliards d'années. Cependant, un [black hole] dans la gamme de 10⁵ kg, pourrait exploser en une seconde, donc, certainement pas stable … Je suppose qu'il y a une masse critique pour [black hole] où le flux de matière gagnée sera égal à l'évaporation de Hawking?

Il se passe beaucoup de choses ici, alors décompactons tout.

La première chose à faire est la stabilité du trou noir lui-même. Pour tout autre objet dans l'univers, astrophysique ou autre, il existe des forces qui le maintiennent ensemble contre tout ce que l'Univers pourrait faire pour essayer de le déchirer. Un atome d'hydrogène est une structure maintenue de manière ténue. un seul photon ultraviolet peut le détruire en ionisant son électron. Un noyau atomique a besoin d'une particule d'énergie beaucoup plus élevée pour le séparer, comme un rayon cosmique, un proton accéléré ou un photon à rayons gamma.

Mais pour les grandes structures, comme les planètes, les étoiles ou même les galaxies, les forces de gravité qui les maintiennent sont énormes. Normalement, il faut soit une réaction de fusion déchaînée, soit une force gravitationnelle externe extrêmement puissante – telle qu’une étoile qui passe, un trou noir ou une galaxie – pour déchirer une telle mégastructure.

Pour les trous noirs, cependant, quelque chose est fondamentalement différent. Plutôt que de répartir leur masse sur un volume, elle est réduite à une singularité. Pour un trou noir non rotatif, il ne s'agit que d'un seul point de dimension zéro. (Pour ceux qui tournent, ce n'est pas beaucoup mieux: un anneau infiniment mince et unidimensionnel.)

En outre, tous les contenus d'un trou noir contenant de la masse et de l'énergie sont contenus dans un horizon d'événements. Les trous noirs sont les seuls objets de l'univers contenant un horizon d'événements: une limite où, si vous y glissez, il est impossible de s'échapper. Aucune accélération, et donc aucune force, quelle que soit sa force, ne pourra jamais tirer la matière, la masse ou l'énergie de l'intérieur de l'horizon des événements vers l'extérieur, vers l'univers au-delà.

Cela peut impliquer que les trous noirs, une fois que vous en avez formé un, par tous les moyens possibles, ne peuvent que grandir et ne jamais être détruits. En fait, ils grandissent, et sans relâche à cela. Nous observons toutes sortes de phénomènes dans l'univers, tels que:

• quasars,
• les blazars,
• noyaux galactiques actifs,
• microquasars,
• des étoiles en orbite autour de grosses masses qui n'émettent aucune lumière,
• et torchage, émissions de rayons X et radio des centres galactiques,

qui sont tous pensés pour être conduit par des trous noirs. En déduisant leurs masses, nous pouvons ainsi connaître la taille physique de leurs horizons d'événements. Tout ce qui entre en collision avec elle, y passe ou même y broute, il y tombe inévitablement. Et puis, par la conservation de l'énergie, il doit inévitablement augmenter la masse du trou noir.

C’est un processus qui se produit en moyenne pour chaque trou noir connu dans l’Univers. Les matériaux provenant d’autres étoiles, les poussières cosmiques, les matières interstellaires, les nuages ​​de gaz ou même les radiations et les neutrinos laissés par le Big Bang peuvent tous y contribuer. La matière noire intervenante entrera en collision avec le trou noir, augmentant ainsi sa masse. Au total, les trous noirs se développent en fonction de la densité de matière et d'énergie qui les entoure; le monstre au centre de notre voie lactée se développe à un taux d'environ une masse solaire tous les 3 000 ans; le trou noir au centre de la galaxie Sombrero se développe à un rythme d'une masse solaire toutes les deux décennies.

Plus votre trou noir est large et lourd, en moyenne, plus il se développe rapidement, en fonction des autres matériaux qu'il rencontre. Avec le temps, le taux de croissance diminuera, mais avec un univers vieux d’environ 13,8 milliards d’années, il continue à se développer de façon prodigieuse.

D'autre part, les trous noirs ne se développent pas avec le temps; il y a aussi un processus par lequel ils s'évaporent: le rayonnement de Hawking. C'était le sujet de Ask Ethan de la semaine dernière, en raison du fait que l'espace est fortement incurvé près de l'horizon des événements d'un trou noir, mais qu'il est plus éloigné. Si vous êtes un observateur très éloigné, vous verrez une quantité non négligeable de radiations émises par la région courbe près de l'horizon des événements, en raison du fait que le vide quantique a des propriétés différentes dans des régions différentes de l'espace. .

Le résultat final est que les trous noirs finissent par émettre des radiations de corps noir thermiques (principalement sous la forme de photons) dans toutes les directions autour de lui, sur un volume d'espace qui encapsule généralement une dizaine de rayons de Schwarzschild à l'emplacement du trou noir. Et, peut-être contre-intuitivement, moins votre trou noir est massif, plus il s’évapore rapidement.

Le rayonnement de Hawking est un processus incroyablement lent, où un trou noir prendrait la masse de notre Soleil 10⁶⁴ années à s'évaporer; celui du centre de la Voie lactée aurait besoin de 10⁸⁷ années, et les plus massives de l’Univers pourraient prendre jusqu’à 10¹⁰⁰ années. En général, une formule simple que vous pouvez utiliser pour calculer le temps d'évaporation d'un trou noir est de prendre l'échelle de temps de notre Soleil et de la multiplier par:

(Masse du trou noir / masse du soleil)³,

ce qui signifie qu'un trou noir de la masse de la Terre survivrait 10⁴⁷ années; une masse de la grande pyramide de Gizeh (environ 6 millions de tonnes) serait conservée pendant environ mille ans; une masse de l'Empire State Building durerait environ un mois; un seul être humain moyen durerait un peu moins d'une picoseconde. Au fur et à mesure que votre masse diminue, vous vous évaporez plus rapidement.

Malgré tout ce que nous savons, l’Univers pourrait contenir des trous noirs d’une gamme extrêmement étendue de masses. S'il était né avec des animaux légers – rien en dessous d'un milliard de tonnes – ceux-ci se seraient tous évaporés de nos jours. Rien ne prouve que les trous noirs soient plus lourds que ceux créés par les fusions étoiles à neutrons, qui commencent à apparaître à environ 2,5 masses solaires en théorie. En outre, des études aux rayons X indiquent la présence de trous noirs dans la gamme de 10 à 20 masses solaires; LIGO nous a montré des trous noirs allant de 8 à environ 62 masses solaires; et des études d’astronomie révèlent les trous noirs supermassifs que l’on trouve dans l’Univers.

Nous connaissons un large éventail de trous noirs, mais également un grand nombre d'études qui excluent les trous noirs constituant la majorité de la matière noire dans une grande variété de régimes.

Aujourd'hui, tous les trous noirs qui existent physiquement gagnent beaucoup plus de matière que le rayonnement de Hawking leur fait perdre de la masse. Pour un trou noir de masse solaire, il perd environ 10^-28 Joules d'énergie chaque seconde. Étant donné que:

• même un seul photon du fond cosmique à micro-ondes a environ un million de fois cette énergie,
• il y a environ 411 photons de ce type (restants du Big Bang) par centimètre cube d'espace,
• et ils se déplacent à la vitesse de la lumière, ce qui signifie qu'environ 10 trillions de photons par seconde entrent en collision avec chaque centimètre carré de surface occupée par un objet,

même un trou noir isolé dans les profondeurs de l'espace intergalactique devrait attendre jusqu'à ce que l'Univers se situe autour de 10²⁰ ans – plus d’un milliard de fois son âge actuel – avant que le taux de croissance des trous noirs ne descende au-dessous du taux de radiation de Hawking.

Mais jouons au jeu. En supposant que vous viviez dans un espace intergalactique, à l’écart de toute matière normale et de toute matière noire, de tout rayonnement cosmique, de tout rayonnement stellaire et de tout neutrino, il ne restait plus que les photons du Big Bang. Quelle doit être la taille de votre trou noir pour que le taux de radiation de Hawking (évaporation) et le taux d'absorption de photons par votre trou noir (croissance) s'équilibrent?

La réponse est d'environ 10²³ kg, ou approximativement la masse de la planète Mercure. S'il s'agissait d'un trou noir, Mercure aurait un diamètre d'environ un demi-millimètre et irradierait environ 100 trillions de fois plus rapidement qu'un trou noir de masse solaire. C’est la masse, dans l’Univers aujourd’hui, qu’il faudrait à un trou noir pour absorber autant de rayonnement de fond cosmique qu’il émettrait dans le rayonnement de Hawking.

Pour un trou noir réaliste, vous ne pouvez pas l'isoler du reste de la matière dans l'univers. Les trous noirs, même s'ils sont éjectés des galaxies, traversent toujours le milieu intergalactique, rencontrant les rayons cosmiques, la lumière des étoiles, les neutrinos, la matière noire et toutes sortes d'autres particules, aussi bien massives que massives. Le fond cosmique micro-ondes est inévitable, peu importe où vous allez. Si vous êtes un trou noir, vous absorbez constamment de la matière et de l'énergie, et vous gagnez ainsi en masse et en taille. Oui, vous émettez également de l'énergie sous forme de rayonnement de Hawking, mais pour tous les trous noirs existant dans notre univers, il faudra au moins 100 quintillions d'années pour que le taux de croissance descende au-dessous du taux de rayonnement. et beaucoup, beaucoup de temps pour qu’ils s’évaporent enfin.

Les trous noirs finiront par devenir instables et ne disparaîtront plus que dans des radiations, mais à moins de créer une très faible masse, il n’y aura rien d’autre dans l’Univers où ils pourront être témoins.

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Envoyez vos questions Ask Ethan à startswithabang à gmail dot com!

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Il existe plusieurs façons de créer les trous noirs que nous connaissons dans l'univers, des supernovae à effondrement de noyau à la fusion d'étoiles à neutrons à l'effondrement direct de quantités énormes de matière. Sur la plus petite extrémité, nous connaissons des trous noirs qui ne représentent peut-être que 2,5 à 3 fois la masse de notre Soleil, tandis que sur la plus grande extrémité, des supermassifs de plus de 10 milliards de masses solaires résident au centre des galaxies. Mais est-ce ça? Et quelle est la stabilité des trous noirs de masses différentes? C'est ce que Nyccolas Emanuel veut savoir, alors qu'il demande:

Existe-t-il une taille critique pour la stabilité des trous noirs? [A] dix¹² kg [black hole] est déjà stable depuis quelques milliards d'années. Cependant, un [black hole] dans la gamme de 10⁵ kg, pourrait exploser en une seconde, donc, certainement pas stable … Je suppose qu'il y a une masse critique pour [black hole] où le flux de matière gagnée sera égal à l'évaporation de Hawking?

Il se passe beaucoup de choses ici, alors décompactons tout.

La première chose à faire est la stabilité du trou noir lui-même. Pour tout autre objet dans l'univers, astrophysique ou autre, il existe des forces qui le maintiennent ensemble contre tout ce que l'Univers pourrait faire pour essayer de le déchirer. Un atome d'hydrogène est une structure maintenue de manière ténue. un seul photon ultraviolet peut le détruire en ionisant son électron. Un noyau atomique a besoin d'une particule d'énergie beaucoup plus élevée pour le séparer, comme un rayon cosmique, un proton accéléré ou un photon à rayons gamma.

Mais pour les grandes structures, comme les planètes, les étoiles ou même les galaxies, les forces de gravité qui les maintiennent sont énormes. Normalement, il faut soit une réaction de fusion déchaînée, soit une force gravitationnelle externe extrêmement puissante – telle qu’une étoile qui passe, un trou noir ou une galaxie – pour déchirer une telle mégastructure.

Pour les trous noirs, cependant, quelque chose est fondamentalement différent. Plutôt que de répartir leur masse sur un volume, elle est réduite à une singularité. Pour un trou noir non rotatif, il ne s'agit que d'un seul point de dimension zéro. (Pour ceux qui tournent, ce n'est pas beaucoup mieux: un anneau infiniment mince et unidimensionnel.)

En outre, tous les contenus d'un trou noir contenant de la masse et de l'énergie sont contenus dans un horizon d'événements. Les trous noirs sont les seuls objets de l'univers contenant un horizon d'événements: une limite où, si vous y glissez, il est impossible de s'échapper. Aucune accélération, et donc aucune force, quelle que soit sa force, ne pourra jamais tirer la matière, la masse ou l'énergie de l'intérieur de l'horizon des événements vers l'extérieur, vers l'univers au-delà.

Cela peut impliquer que les trous noirs, une fois que vous en avez formé un, par tous les moyens possibles, ne peuvent que grandir et ne jamais être détruits. En fait, ils grandissent, et sans relâche à cela. Nous observons toutes sortes de phénomènes dans l'univers, tels que:

• quasars,
• les blazars,
• noyaux galactiques actifs,
• microquasars,
• des étoiles en orbite autour de grosses masses qui n'émettent aucune lumière,
• et torchage, émissions de rayons X et radio des centres galactiques,

qui sont tous pensés pour être conduit par des trous noirs. En déduisant leurs masses, nous pouvons ainsi connaître la taille physique de leurs horizons d'événements. Tout ce qui entre en collision avec elle, y passe ou même y broute, il y tombe inévitablement. Et puis, par la conservation de l'énergie, il doit inévitablement augmenter la masse du trou noir.

C’est un processus qui se produit en moyenne pour chaque trou noir connu dans l’Univers. Les matériaux provenant d’autres étoiles, les poussières cosmiques, les matières interstellaires, les nuages ​​de gaz ou même les radiations et les neutrinos laissés par le Big Bang peuvent tous y contribuer. La matière noire intervenante entrera en collision avec le trou noir, augmentant ainsi sa masse. Au total, les trous noirs se développent en fonction de la densité de matière et d'énergie qui les entoure; le monstre au centre de notre voie lactée se développe à un taux d'environ une masse solaire tous les 3 000 ans; le trou noir au centre de la galaxie Sombrero se développe à un rythme d'une masse solaire toutes les deux décennies.

Plus votre trou noir est large et lourd, en moyenne, plus il se développe rapidement, en fonction des autres matériaux qu'il rencontre. Avec le temps, le taux de croissance diminuera, mais avec un univers vieux d’environ 13,8 milliards d’années, il continue à se développer de façon prodigieuse.

D'autre part, les trous noirs ne se développent pas avec le temps; il y a aussi un processus par lequel ils s'évaporent: le rayonnement de Hawking. C'était le sujet de Ask Ethan de la semaine dernière, en raison du fait que l'espace est fortement incurvé près de l'horizon des événements d'un trou noir, mais qu'il est plus éloigné. Si vous êtes un observateur très éloigné, vous verrez une quantité non négligeable de radiations émises par la région courbe près de l'horizon des événements, en raison du fait que le vide quantique a des propriétés différentes dans des régions différentes de l'espace. .

Le résultat final est que les trous noirs finissent par émettre des radiations de corps noir thermiques (principalement sous la forme de photons) dans toutes les directions autour de lui, sur un volume d'espace qui encapsule généralement une dizaine de rayons de Schwarzschild à l'emplacement du trou noir. Et, peut-être contre-intuitivement, moins votre trou noir est massif, plus il s’évapore rapidement.

Le rayonnement de Hawking est un processus incroyablement lent, où un trou noir prendrait la masse de notre Soleil 10⁶⁴ années à s'évaporer; celui du centre de la Voie lactée aurait besoin de 10⁸⁷ années, et les plus massives de l’Univers pourraient prendre jusqu’à 10¹⁰⁰ années. En général, une formule simple que vous pouvez utiliser pour calculer le temps d'évaporation d'un trou noir est de prendre l'échelle de temps de notre Soleil et de la multiplier par:

(Masse du trou noir / masse du soleil)³,

ce qui signifie qu'un trou noir de la masse de la Terre survivrait 10⁴⁷ années; une masse de la grande pyramide de Gizeh (environ 6 millions de tonnes) serait conservée pendant environ mille ans; une masse de l'Empire State Building durerait environ un mois; un seul être humain moyen durerait un peu moins d'une picoseconde. Au fur et à mesure que votre masse diminue, vous vous évaporez plus rapidement.

Malgré tout ce que nous savons, l’Univers pourrait contenir des trous noirs d’une gamme extrêmement étendue de masses. S'il était né avec des animaux légers – rien en dessous d'un milliard de tonnes – ceux-ci se seraient tous évaporés de nos jours. Rien ne prouve que les trous noirs soient plus lourds que ceux créés par les fusions étoiles à neutrons, qui commencent à apparaître à environ 2,5 masses solaires en théorie. En outre, des études aux rayons X indiquent la présence de trous noirs dans la gamme de 10 à 20 masses solaires; LIGO nous a montré des trous noirs allant de 8 à environ 62 masses solaires; et des études d’astronomie révèlent les trous noirs supermassifs que l’on trouve dans l’Univers.

Nous connaissons un large éventail de trous noirs, mais également un grand nombre d'études qui excluent les trous noirs constituant la majorité de la matière noire dans une grande variété de régimes.

Aujourd'hui, tous les trous noirs qui existent physiquement gagnent beaucoup plus de matière que le rayonnement de Hawking leur fait perdre de la masse. Pour un trou noir de masse solaire, il perd environ 10^-28 Joules d'énergie chaque seconde. Étant donné que:

• même un seul photon du fond cosmique à micro-ondes a environ un million de fois cette énergie,
• il y a environ 411 photons de ce type (restants du Big Bang) par centimètre cube d'espace,
• et ils se déplacent à la vitesse de la lumière, ce qui signifie qu'environ 10 trillions de photons par seconde entrent en collision avec chaque centimètre carré de surface occupée par un objet,

même un trou noir isolé dans les profondeurs de l'espace intergalactique devrait attendre jusqu'à ce que l'Univers se situe autour de 10²⁰ ans – plus d’un milliard de fois son âge actuel – avant que le taux de croissance des trous noirs ne descende au-dessous du taux de radiation de Hawking.

Mais jouons au jeu. En supposant que vous viviez dans un espace intergalactique, à l’écart de toute matière normale et de toute matière noire, de tout rayonnement cosmique, de tout rayonnement stellaire et de tout neutrino, il ne restait plus que les photons du Big Bang. Quelle doit être la taille de votre trou noir pour que le taux de radiation de Hawking (évaporation) et le taux d'absorption de photons par votre trou noir (croissance) s'équilibrent?

La réponse est d'environ 10²³ kg, ou approximativement la masse de la planète Mercure. S'il s'agissait d'un trou noir, Mercure aurait un diamètre d'environ un demi-millimètre et irradierait environ 100 trillions de fois plus rapidement qu'un trou noir de masse solaire. C’est la masse, dans l’Univers aujourd’hui, qu’il faudrait à un trou noir pour absorber autant de radiations de fond cosmiques qu’il émettrait dans les radiations de Hawking.

Pour un trou noir réaliste, vous ne pouvez pas l'isoler du reste de la matière dans l'univers. Les trous noirs, même s'ils sont éjectés des galaxies, traversent toujours le milieu intergalactique, rencontrant les rayons cosmiques, la lumière des étoiles, les neutrinos, la matière noire et toutes sortes d'autres particules, aussi bien massives que massives. Le fond cosmique micro-ondes est inévitable, peu importe où vous allez. Si vous êtes un trou noir, vous absorbez constamment de la matière et de l'énergie, et vous gagnez ainsi en masse et en taille. Oui, vous émettez également de l'énergie sous forme de rayonnement de Hawking, mais pour tous les trous noirs existant dans notre univers, il faudra au moins 100 quintillions d'années pour que le taux de croissance descende au-dessous du taux de rayonnement. et beaucoup, beaucoup de temps pour qu’ils s’évaporent enfin.

Les trous noirs finiront par devenir instables et ne disparaîtront plus que dans des radiations, mais à moins de créer une très faible masse, il n’y aura rien d’autre dans l’Univers où ils seront témoins.

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Envoyez vos questions Ask Ethan à startswithabang à gmail dot com!