Crna rupa predstavlja ultimativni zatvor u kojem nema povratka. Dok se kvantni gravitacijski učinci u blizini središta crne rupe mogu proučavati, ovo putovanje u jednom smjeru ne omogućava povratak. Da bismo bolje razumjeli, profesor Avi Loeb predlaže da zamislimo situaciju u kojoj pokušavamo smjestiti prekomjernog zatvorenika u zatvor koji je znatno manji od njegove tjelesne mase. Čak i ako uspijemo smjestiti dio zatvorenika iza rešetki, ostatak bi mogao ostati izvan dosega.
Za crne rupe, zidovi zatvora su takozvani horizont događaja ili događajni obzor. Karl Schwarzschild izračunao je 1916. godine radijus horizonta događaja kao 2GM/c², gdje je G gravitacijska konstanta, c brzina svjetlosti, a M masa crne rupe. Schwarzschildov radijus za crnu rupu mase 36 trilijuna tona odgovara Bohr-ovom radijusu atoma vodika, što je usporedivo s masom Chicxulub udarnog kratera koji je prije 66 milijuna godina uzrokovao izumiranje dinosaura na Zemlji. Primordijalna crna rupa ove mase mogla je nastati u ranom svemiru. Za crnu rupu mase 580 milijuna tona, Schwarzschildov radijus odgovara radijusu protona. Manje primordijalne crne rupe bi već nestale zbog isparavanja putem Hawkingove radijacije u vremenskom okviru usporedive starosti svemira.
Crne rupe obično rastu akrecijom materije iz svog okruženja. Za crne rupe čija je masa veća od Sunca, horizont događaja je dovoljno velik da se može smatrati kao struktura koja apsorbira mnoge atome odjednom, pa se pozadinska materija može tretirati kao kontinuirani fluid. Međutim, kako objašnjava profesor Loeb, kod primordijalnih crnih rupa s masom asteroida, ova pretpostavka nije primjenjiva. Ove crne rupe akumuliraju materiju jedan atom, proton ili elektron u isto vrijeme, jer je njihov “otvor” manji od kvantno-mehaničkih dimenzija tih čestica.
Gravitacijska privlačnost atoma vodika
Razmislimo o situaciji u kojoj je atom vodika gravitacijski privučen primordijalnoj crnoj rupi. U jednostavnom modelu, atom bi vrlo brzo pao kroz horizont crne rupe. Međutim, ako je horizont manji od veličine atoma, dio atoma će ostati izvan crne rupe. Čak i ako primordijalna crna rupa može apsorbirati proton, elektronski oblak može ostati izvan nje, zbog čega bi crna rupa stekla pozitivan električni naboj. Električna sila koja veže elektron za proton bit će pojačana gravitacijom. Kako objašnjava profesor Loeb, na velikim udaljenostima od horizonta, električne i gravitacijske sile opadaju s kvadratom udaljenosti. Zbog toga će Bohr-ov radijus atoma biti smanjen zbog pojačanja vezne sile. Gravitacijske i električne sile su jednake za crnu rupu mase od 4 milijarde tona. Za veće mase, gravitacija prevladava.
Blizu horizonta događaja crne rupe, ponašanje elektrona se značajno mijenja zbog jakih gravitacijskih i električnih polja. Da bismo razumjeli kako se to događa, moramo riješiti kvantno-mehaničku Diracovu jednadžbu koja opisuje elektrona u ovim ekstremnim uvjetima. Valna funkcija elektrona, koja nam pokazuje gdje je elektron najvjerojatnije prisutan, bit će deformirana zbog blizine horizonta događaja. Ovo deformiranje ograničava koliko dugo elektron može ostati u svom trenutnom stanju izvan horizonta. Kada dođe kraj tog razdoblja, elektron će ući u crnu rupu i pridružiti se protonima koji su već unutar horizonta događaja. Time će crna rupa postati električki neutralna, a uz dodatak novog atoma vodika, njezina masa će se povećati.
U kvantnom svijetu postoji mala, ali značajna vjerojatnost da će čestice koje se nalaze u malom prostoru, poput elektrona, biti zarobljene unutar tog prostora. Ova pojava nalikuje kvantnom tuneliranju, gdje čestice mogu proći kroz energetske barijere koje bi bile neprolazne prema klasičnoj fizici. Slično tome, vezani elektroni mogu biti zarobljeni u atomskoj jezgri, čak i bez dodatne pomoći centralne crne rupe. Proces poznat kao hvatanje elektrona događa se kada elektron iz unutarnjih slojeva atomske jezgre, bogate protonima, bude apsorbiran. Brzina s kojom se ovo događa ovisi o tome koliko se valna funkcija elektrona preklapa s volumenom atomske jezgre. Kod primordijalnih crnih rupa koje imaju masu nalik asteroidu, akrecija protona i elektrona uključuje složene kvantno-mehaničke efekte. Ako se takve crne rupe pojave u našem Sunčevom sustavu, mogle bi poslužiti kao prirodni laboratorij za proučavanje kvantno-gravitacijskih fenomena na subatomskim skalama.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
