Strona głównaPytania → Czarne dziury i antymateria

Czarne dziury i antymateria

Pytanie

Pyta Mirosław

Załóżmy, że istnieje czarna dziura złożona z antymaterii o całkowitej masie $m_1$. W pewnej odległości od w/w czarnej „antydziury” znajduje się „zwykła” czarna dziura o masie $m_2$.
Pytanie 1. Czy te dwa obiekty będą się przyciągały zgodnie z klasycznym prawem powszechnego ciążenia?
Pytanie 2. Czy w przypadku kolizji tych dwóch obiektów dojdzie do anihilacji materii i uwolnienia energii?
Pytanie 3. Jaka jest graniczna wartość $m_1/m_2$ przy której fotony wykreowane w pytaniu 2 będą uwięzione w „resztkowej” czarnej dziurze?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

(1) Nie widzimy we Wszechświecie przejawów istnienia gwiazd złożonych z antymaterii, ale teoretycznie istnienie takiej gwiazdy można sobie wyobrazić. Jeśli ta gwiazda byłaby odpowiednio duża, to po jakimś czasie wypaliłaby się i zapadła, tworząc czarną dziurę. Ta czarna dziura przyciągałaby zwykłą materię, również inne czarne dziury (wszystko jedno jakiego pochodzenia) zgodnie z teorią grawitacji (ogólną teorią względności) Einsteina. Przy dużych odległościach między obiektami, teoria Einsteina opisuje takie samo przyciąganie jak teoria powszechnego ciążenia Newtona.

(2) Jeśli bardzo duża czarna dziura (taka jak w centrum naszej Galaktyki) absorbuje bardzo małą (powstałą ze starej gwiazdy), to mała dziura wlatuje do dużej tak jak zwykła gwiazda, nawet nie zauważając, że przekracza horyzont dużej dziury. Pod horyzontem czas płynie do środka (w kierunku centrum dużej czarnej dziury), więc dla zewnętrznego obserwatora nic już nie jest widoczne, tj. nie spodziewałbym się żadnej emisji energii, nawet gdyby jedna dziura powstała kiedyś z antymaterii, a druga ze zwykłej materii. Moja odpowiedź jest jednak do pewnego stopnia intuicyjna, gdyż nie znam ścisłego rozwiązania równań Einsteina dla kolizji dwóch czarnych dziur, i nie jestem pewien czy ktokolwiek zna. Z tego powodu znacznie trudniej mi powiedzieć co się stanie przy kolizji dwóch dziur podobnej wielkości.  Najprawdopodobniej powstanie większa dziura, ale w trakcie samego procesu horyzont być może ulega naruszeniu odsłaniając na jakiś czas tzw. ‚gołą osobliwość’. Wtedy chwilowa emisja energii ze środka byłaby teoretycznie możliwa. Nie możemy jednak być pewni że nastąpiłaby, gdyż współcześnie znane prawa fizyki nie umożliwiają wiarygodnego opisu zjawisk w centrach czarnych dziur. Nie jestem pewien czy wyjściowa materia lub antymateria w ogóle tam się jeszcze znajdują w momencie kolizji. Powinniśmy wrócić myślą do momentu powstawania czarnej dziury w sytuacji, kiedy czas pod horyzontem płynie do środka. Z punktu widzenia materii pochodzącej z kończącej życie gwiazdy wygląda to tak jak koniec Wszechświata o małych rozmiarach zapadającego się w procesie odwrotnym do Wielkiego Wybuchu. W takiej sytuacji niewykluczone jest tzw. odbicie (Big Bounce) i rozpoczęcia procesu inflacji (bardzo szybkiego rozszerzania) w nowo powstałym fragmencie (‚bąblu’) Wszechświata, nie mającym kontaktu przyczynowego z naszym fragmentem. Taka możliwość nie jest wykluczona, a nawet byłaby wskazana ze względu na tzw. paradoks informacyjny w fizyce czarnych dziur. Możliwość ta pozostanie jednak w sferze fantazji dopóki nie stworzymy teorii nadającej się do wiarygodnego ilościowego opisu centrów czarnych dziur, a jednocześnie niesprzecznej z obserwacjami. Takiej teorii na razie nie znamy.

(3) Jeśli $m_1/m_2$ jest bardzo małe lub bardzo duże -> patrz początek odpowiedzi na pytanie 2. Jeśli $m_1/m_2$ jest bliskie jedynki, emisja energii po kolizji nie jest wykluczona, ale niekoniecznie musi być to energia z anihilacji wyjściowej materii i antymaterii. Żadnej konkretnej granicy na $m_1/m_2$ nie można podać przy obecnym stanie wiedzy.