Чим насправді є випромінювання Хокінга?
В чорні діри мало хто вірив до другої половини XX століття, причина полягає не тільки в тому, що вони виглядають занадто фантастично. Якщо ви науковець і розглядаєте концепцію, яка здається суперечить кільком фізичним законам то ви, як мінімум будете дуже критично до неї ставитися. Наприклад, для стороннього спостерігача, який дивиться як у чорну діру падає якись об'єкт, то він просто зникає, а отже здавалося, що будь-яка інформація про нього буде втрачена. Тому, якщо чорні діри існують, то вони здаються порушують І закон термодинаміки, який говорить, що жодна інформація чи енергія не може бути створені та бути знищена в будь-якій ізольованій системі. Ще більш загрозливими чорні діри здавалися для ІІ-го закону термодинаміки він постулює, що ентропія в замкненій системі може залишатися сталою або зростати , але ніколи не зменшується. Наприкад, кубили льоду можуть стати калюжею, але ніколи калюжа назад не перетвориться в ті самі кубики льоду. Важливо розуміти, що все у всесвіті має свою ентропію. Якщо під час попадання об'єкта в чорну діру, його ентропія зникає, то тоді всесвіт втрачає частину своєї ентропії, що власне заборонено ІІ законом термодинаміки. До ентропії Хокінг ставився приблизно так, що навіть якщо чорні діри не підкоряються ІІ закону термодинаміки, то нехай так собі буде. Він притримувався такої думки тому, що Хокінг добре знав, що є зв'язок між сингулярністю в центрі чорних дір та початком самого всесвіту.
Чи справді чорні діри не мають ентропії?
Яков Бекінштейн угледів цікавий зв'язок між ентропією та горизонтом подій чорної діри, а саме коли об'єект падає у чорну діру його ентропія зникає , а горизонт подій збільшується, то тоді горизонт подій є мірою ентропії чорної діри. Але Хокінгу не сподобалося, що його власну ідею використали для такої ідеї тому, що якщо чорні діри мають ентропію, тоді вони повинні випромінювати тепло, але це не можливо так як ніщо не може уникнути їхньої сили тяжіння. Тож Хокінг вирішив спростувати гіпотезу Бекінштейна, але він відкрив рівняння точної залежності між ентропією та горизонтом подій чорної діри, а рівняння отрмало назву ентропійне рівняння Бекінштейна-Хокінга. Тому чорні діри мають ентропія та рівень ентропії залежить від радіуса горизонту подій, таким чином загальна ентропія всесвіту не спадає і це не порушує ІІ закон термодинаміки.
Як чорні діри втрачають свою масу?
Космічний простір насправді не є зовсім порожнім в ньому постійно утворюються пари частинок віртуальних частинок, які анігілюють між собою(взаємнознищуються), але біля горизонту подій один із пари може перетнути славнозвісну межу неповернення , а інший навпаки втече і тоді ця віртуальна частинка перетворюється на справжню частинку, яка несе реальну енергію. Для стороннього спостерігача, це буде виглядати, як чорна діра справді випромінює енергію. Суть в тому, що та частинка яка перетне межу неповернення несе з собою негативну енергія , а значить при поглинанні її чорною діри її маса зменшується. Але варто зауважити, що скоріше всього віртуальні частинки є математичним трюком, що використовують науковці, щоб їхні розрахунки працювали. Незважаючи на це , це є справді хороше пояснення як чорні діри втрачають масу. Це нас змушує уявити, що горизонт подій це поверхня чорної діри, але насправді це простір , який відрізняється від іншого простору тільки своєю кривизною. Тому перетнувши горизонт подій ви нічого дивного не побачити, це тільки означатиме , що ви не уникните зустрічі із сингулярністю в центрі чорної діри.
Що таке квантові поля?
Щоб краще зрозуміти це випромінювання, простір потрібно розуміти не як частинки - а квантовими полями. Частинки це саме коливання полів, у збудженому стані. Таким чином існують електронне, квантове чи поле бозонів Хіггса. Отже квантові поля мають енергію і у найнижчому своєму рівні вони не генерують, жодних частинок, тобто поле у найнижчому(основному) енергетичному рівні - це вакуум. Це можна уявити, як дві хвилі одна із позитивною інша з негативною у найнижчому рівні ці хвилі скасовують одна одну.
Коли поле знаходиться на цьому рівні флуктуації(коливання) є, але реальних частинок немає. Коли поле переходить на вищий енергетичний рівень, з'являються хвилі, які є реальними частинками.
Чим насправді є випромінювання Хокінга?
Фотони, які намагаються вирватися із гравітаційного колодязя чорної діри втрачають енергію і що важливо вони не втрачають своєї швидкості, тому спектр випромінювання фотонів поки вони вирвуться, із гравітаційного колодязя чорної діри зміщується із зеленої частини спектру у червоний, та відповідно випромінюється у вигляді інфрачервоного випромінювання(тепла). Температура, яку виділяє чорна діра може виміряти будь який віддалений спостерігач. Ця температура, і є випромінюванням Хокінга. Ця температура дорівнює 60 нано Кельвінів. Це можна сприймати як переплутання із збудженням позитивної енергії (частинки поза горизонтом подій) із збудженням негативної енергії( в горизонті подій чорної діри). Збудження негативної енергії призводятьдо пуступового "випаровування чорної діри".
Як довго живуть чорні діри та чи можемо ми зафіксувати їх випромінювання?
Ця температура(60 нано Кельвінів) це та сама температура , яку за розрахунками Хокінга випромінюють чорні діри за масою схожою на Сонце. Чим масивніша діра тим менше вона випромінює. Відповідно надмасивні чорні живуть на порядок довше за чорні діри зояної маси. І це також означає, що чорна діра не охолоджується, а навпаки нагрівається(на відміну від звичайної речовини), отже коли маса чорної діри наближається до 0, температура та відповідно енергія наближається до нескінченності і в результаті в кінці свого життя вона феєрично вибухає. А отже, випромінює фотони високої енергії, які ми уже ву змозі зафіксувати.
Щоб чорна діра зоряної маси повністю "випарувалася" їй потрібно 10^64 років. А це означає, що жодна чорна діра з початку всесвіту ще не випарувалася.
На даний момент ми не можемо зафіксувати температуру випромінювання чорних дір, так як космос все ще гарячий для цього (середня температура космосу складає 2,7 К) і як результат ми просто не зможемо відрізнити випромінювання Хокінга від температури реліктового випромінювання.
У зв'язку з тим, що механізм народження зір це вибух надмасивних зір, які значно масивніші за Сонце, але існує гіпотеза що після Великого Вибуху народилися первинні чорні діри, які не обмеженні масою і фактично уже вибухнути і показати нам своє випромінювання, але їх ще ніхто і ніколи не фіксував.