블랙홀 19, 블랙 홀 증발과 호킹의 복사

호킹 박사는 블랙 홀의 사건의 지평선에 가까운 행동을 연구하기 위해 진공의 현대 이론인 양자 이론을 이용했다. 그의 분석은 수학적이었지만 우리는 꽤 간단한 방법으로 그것을 이해할 수 있다. 본질은 블랙 홀의 사건 지평선 가까이에 생성된 두개의 '가상'입자, 입자 및 그 반대 입자(질량 면에서 동일)가 다른 입자와 분리될 수 있다는 것이다. 입자이든 반입자이든 그 중 한쌍이 사건의 지평선에 떨어지면 그것은 특이점으로 추락할 것이고 결코 회복될 수 없을 것이다. 하지만, 그것의 파트너는 블랙 홀 밖에 남아 있을 수도 있다. 이 입자는 가상의 파트너를 잃었지만 지금은 진짜 입자이고 피할 수 있는 가능성이 있다. 만약 입자가 다시 떨어져 나가는 대신에 탈출한다면, 그것은 호킹 방사선이라는 것의 일부를 형성한다. 먼 곳의 관찰자에 관한 한, 블랙 홀은 입자가 방출되었기 때문에 질량을 잃었다. 우리가 깨달은 것은, 양자 필드 이론을 고려해 볼 때 블랙 홀이 완전히 검은 것은 아니지만, 실제로 입자를 방출할 수 있다는 것입니다. 이 주장은 광자에도 적용되는데, 호킹의 주장이 맞다면 아주 약한 빛이 블랙 홀에서 나오게 된다.

온도가 0이 아닌 모든 물체는 광자처럼 열 복사를 방출한다. 당신은 스스로 이렇게 하는데, 이것이 당신이 어둠 속에서도 적외선 카메라에 나타나는 이유이다. 몸이 뜨거울수록 방사선의 빈도가 높아진다. 우리는 적외선을 방출하지만, 뜨겁게 달군 포커는 가시 광선을 방출할 정도로 뜨겁습니다. 블랙 홀은 호킹의 방사능을 방출하기 때문에, 이것은 앞에서 보았듯이, 보통은 믿을 수 없을 정도로 낮다. 태양의 100배 질량을 가진 블랙 홀은 호킹의 온도가 절대 영도보다 10억분의 1도 낮습니다! 이것이 호킹의 방사능이 아직 발견되지 않은 한가지 이유이다. 그것은 믿을 수 없을 만큼 약하기 때문이다. 그러나 그것은 거기에 있었다고 믿어진다.

하지만 호킹의 방사선은 블랙 홀의 진화에 흥미로운 결과를 가져온다. 그것은 궁극적으로 블랙 홀의 죽음에 책임이 있다. 두개의 가상 입자에 대해 다시 생각해 보십시오. 블랙 홀에서 벗어나는 실제 입자의 에너지는 양의 에너지여야 하지만, 가상 입자 쌍이 진공 상태에서 자연스럽게 나타났기 때문에 블랙 홀로 빨려 들어간 가상 입자는 반드시 부정적인 에너지를 가져야 합니다. 에너지와 질량이 연관되어 있기 때문에 블랙 홀에 음적량이 더해 졌고, 따라서 호킹의 방사능 방출로 인해 질량이 감소할 것이다.

호킹 박사는 블랙 홀이 증발할 수 있는 메커니즘을 발견했다. 천천히, 시간이 지나면서 블랙 홀은 방사능을 방출하고 질량을 잃게 됩니다. 이 과정은 처음에는 믿을 수 없을 정도로 느리다. 블랙 홀이 클수록 그것의 '표면 중력'은 더 작다는 것이 밝혀졌다. 큰 블랙 홀을 위해 더 큰 질량이 표면 중력에 달려 있지만 중력의 끌림은 정사각형의 법칙을 따르고 더 큰 블랙 홀이 더 커지기 때문이다. 순수한 결과는 큰 블랙 홀의 표면 중력이 매우 적다는 것이고 이것은 매우 낮은 온도와 같다. 따라서 큰 블랙 홀은 작은 블랙 홀보다 호킹의 방사선을 덜 방출한다.

하지만 블랙 홀이 증발해서 질량을 잃으면, 호킹의 방사능 양은 표면 중력에 따라 증가하고 따라서 온도가 증가한다. 블랙 홀이 다른 에너지를 받고 있지 않다고 가정하면, 이것은 수명이 다할 때까지, 블랙 홀이 존재하지 않을 때까지 점점 더 빠르고 빠르게 질량 손실을 만듭니다. 따라서 블랙 홀의 삶은 빅뱅이 아니라 조용한 팝으로 끝난다. 이 증발 과정은 주변 온도보다 높은 블랙 홀에서만 가능합니다. 우주 역사의 현 시대에 우주 전자 배경 복사의 스펙트럼 모양에서 측정한 우주의 온도는 절대 0도보다 2.7도 높다. 1억킬로 이상의 질량을 가진 블랙 홀은 온도가 주변보다 낮기 때문에 현 시대에는 증발하지 않을 것이다. 하지만 태양 질량의 아주 작은 부분을 차지하고 있는 블랙 홀은 우주가 더 팽창한 후에 더 차가워 지면 증발할 수 있을 것입니다. 우주 시간의 이 시점까지, 이 희박한 가치의 1퍼센트 미만의 질량을 가진 블랙 홀은 모두 지금쯤 증발해 버렸을 것이다.