Hawkingi radiatsioon

Hawkingi radiatsioon (Hawkingi kiirgus) on soojuskiirgus, mida eelduste kohaselt kiiratakse mustade aukude sündmuste horisondil. Nimetuse on see saanud inglise füüsikateoreetiku, kosmoloogi, kirjaniku ja Cambridge'i ülikooli teoreetilise kosmoloogia keskuse teadusdirektori Stephen Hawkingi järgi. Tema pakkus välja 1974. aastal hüpoteesi selle nähtuse olemasolu kohta. Radiatsiooni nimetatakse ka Bekenstein-Hawkingi radiatsiooniks, kuna avastusele aitas kaasa Jacob Bekenstein, kelle teooria kohaselt peaks mustadel aukudel olema piiratud entroopiatase ja temperatuur, mis erineb nullist kraadist. Hawkingi radiatsioon vähendab mustade aukude massi ja energiat ning seetõttu nimetatakse seda ka mustade aukude haihtumiseks. Mustad augud, mis massi juurde ei neela, muutuvad ajapikku väiksemaks ja lõpuks kaovad (aurustuvad).

1973. aastal näitasid Jakov Zeldovitš ja tema õpilane Aleksei Starobinski Moskvas Hawkingile, et kvantmehaanika määramatuse printsiibi kohaselt peaks pöörlevad mustad augud tekitama ja kiirgama osakesi, mis tekivad musta augu pöördliikumise energiast. See kiirgus tuleks sündmuste horisondist väljastpoolt ja aeglustaks musta augu pöörlemist. Hawking sai sellest ideest inspiratsiooni ning otsustas matemaatilise käsitlusega põhjendada ja edasi arendada.

2008. aasta juunis lennutas NASA kosmosesse gammakiirgust otsiva Fermi kosmoseteleskoobi. See saaks tuvastada nii tumeaine olemasolu kui ka otsida ürgsetest mustadest aukudest kiirguvat gammakiirgust. Tulevikus saaks CERN-is asuv Suur Hadronite Põrguti luua üliväikesi musti auke ja uurida nende haihtumist.

2010. aasta septembris uuriti väidetavalt signaali, mis on tihedalt Hawkingi radiatsiooniga seotud, kuid seda infot pole tõestatud.

Ülevaade

Mustad augud on meeletu gravitatsioonilise külgetõmbejõuga kehad. Tavaliselt on gravitatsioonijõud nii tugev, et mitte midagi, isegi mitte elektromagnetkiirgus, ei pääse sealt. Pole veel teada, kuidas gravitatsiooni saab kvantmehaanikas kasutada. Siiski võivad musta augu gravitatsioonimõjud olla piisavalt nõrgad aegruumi kumeruse teooria arvutustes kasutamiseks. Hawking näitas, et kvantefektid lubavad mustades aukudes kiirata soojuskiirgust (mustade kehade kiirgust). Elektromagnetkiirgust toodetakse siis, kui seda kiirgab must keha, mille temperatuur on pöördvõrdeline musta augu massiga.

Kõige parema ülevaate saab sellest protsessist, kujutades ühte liiki virtuaalosakeste kiirgamist sündmuste horisondi lähedal. See radiatsioon ei tule tegelikult otse mustast august, vaid on virtuaalosakeste muutumine "tõelisteks" osakesteks musta augu gravitatsiooni tõukejõu abil. See avastus näitab, et Hawkingi esimene kuulus avastus, musta augu dünaamika teine seadus (sündmuste horisondi pindala ei saa kunagi kahaneda) ei pea alati paika.

Alternatiivne viis protsessi nägemisest on see, et vaakumi muutlikkus jätab mulje, et virtuaalosakeste paar on musta augu sündmuste horisondile lähedal. Üks paarilistest kukub auku ja teine põgeneb. Selleks, et säilitada koguenergia, peab auku kukkunud paarilisel olema negatiivne energia. Selle pärast kaotab maust auk massi ning eemalseisvale vaatlejale, kes asub mustast august kaugel, jääb mulje, et must auk kiirgas osakese. Teise mudeli järgi, on see protsess tunneliefekt, kus osakeste paar moodustub vaakumist ning üks paariline ületab sündmuste horisondi.

Oluline erinevus Hawkingi kujutletud radiatsiooni ja musta keha kiiratud soojuskiirguse vahel on see, et musta keha oma on statistilisema olemusega, ehk ainult tema kiiratud keskmine energiamäär rahuldab Plancki seadust musta keha kiirguse kohta. Hawkingi radiatsioon rahuldab Plancki seadust tervikuna oluliselt paremini. Kui soojuskiirgus sisaldab informatsiooni kiirgava keha kohta, siis Hawkingi radiatsioon ei näi sellist infot sisaldavat ning kiirgus sõltub ainult musta augu massist, nurkkiirusest ja laengust. See viib musta augu infokao paradoksini.

Oletusliku gauge-gravity duality kohaselt (AdS/CFT correspondence) on mustad augud osadel juhtudel kvantväljateooria tulemustega võrreldavad. See tähendab, et mustades aukudes ei tohiks informatsioon kaduma minna ja radiatsioon, mida kiiratakse, on ilmselt tavaline soojuskiirgus. Kui see vastab tõele, siis tuleks Hawkingi algseid arvutusi parandada (kuigi praegu ei teata, kuidas).

Ühe Päikese massiga (M☉ – standardne astronoomias kasutatav massiühik) mustal augul on temperatuur vaid 60 nanokelvinit. Kusjuures selline must auk tõmbaks endasse kõvasti rohkem kosmilist taustkiirgust kui ta seda väljastaks. Umbes Kuu massiga must auk (4,5×1022 kg) oleks tasakaalus 2,7 kelvini juures, tõmmates endasse sama palju kiirgust kui ta ise väljastab. Samas väiksemad mustad augud kaotaksid massi, kuna nad väljastaks rohkem kui kiirgavad.