Hawkingin säteily kuvaa hypoteettisia hiukkasia, jotka muodostuvat mustan aukon rajalla. Tämä säteily viittaa siihen, että mustien aukkojen lämpötilat ovat kääntäen verrannollisia niiden massaan.
Muuten sanottuna, mitä pienempi musta aukko on, sitä kuumempaa sen pitäisi hehkua.
Vaikka sitä ei ole koskaan suoraan havaittu, Hawkingin säteily on ennuste, jota yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistetyt mallit tukevat. Se on saanut nimensä arvostetun fyysikon Stephen Hawkingin mukaan, joka julkaisi vuonna 1974 artikkelin Black hole explosions? väittäen niiden olemassaoloa.
Jos Hawkingin säteily osoittautuisi tosiseikaksi, se merkitsisi, että mustat aukot voivat emittoida energiaa ja sen vuoksi kutistua, jolloin pienimmät näistä järjettömän tiheistä kohteista räjähtäisivät nopeasti kuumuudessa (ja suurimmat hitaasti haihtuisivat triljoonien vuosien aikana kylmään tuuleen).
Miksi mustien aukkojen pitäisi hehkua?
Kun aine pääsee mustaan aukkoon, se lukittuu tehokkaasti pois muusta maailmankaikkeudesta. Tämä poistaa myös jonkin verran epäjärjestystä; ominaisuutta, jota fyysikot kutsuvat entropiaksi.
Koska tämä aineen poistuminen jättää maailmankaikkeuden vähemmän epäjärjestyneeksi, sen ajateltiin rikkovan termodynamiikan toista lakia.
Yhdysvaltalaisen Princestonin fysiikan opiskelija Jacob Bekenstein huomautti, että mustan aukon mielettömän painovoiman eniten koskettamaa tilaa ympäröivän rajan – tapahtumahorisontiksi kutsutun ”pinnan” – pitäisi kasvaa pinta-alaltaan aina, kun materiaa putoaa sisään.
Hän osoitti, miten tämä pinta-ala edustaa sitä entropian määrää, joka muutoin menetettäisiin, ja tämän ehdotuksen pitäisi ratkaista paradoksi.
Hawking ei ollut niin varma. Entropia on toinen tapa kuvata lämpöenergiaa, joka välttämättä säteilee. Jos tapahtumahorisontissa on entropiaa, sen pitäisi hehkua jollain tavalla, eli mustat aukot eivät sittenkään olisi niin mustia.
Pyrkiessään kumoamaan Bekensteinin järjettömältä vaikuttavan ehdotuksen Hawking keskusteli siitä muiden fyysikoiden kanssa ja yritti osoittaa matemaattisten mallien avulla, ettei se ollut mahdollista.
Sen sijaan hän havaitsi, että mustat aukot näyttävät todella loistavan kylmää valoa.
Miten mustat aukot tuottavat Hawkingin säteilyä?
Fysikaalinen prosessi, joka on taustalla mustan aukon tapahtumahorisontin läheisyydestä tulevien hiukkasten emittoitumisessa, on melko monimutkainen, ja se perustuu vankkaan ymmärrykseen kvanttikenttäteorian matematiikasta.
Se kuvataan yleisesti tuloksena siitä, että gravitaation vaikutuksesta erottaa toisistaan kaksoiskaksoset ”virtuaalisia hiukkasia”, jotka luonnollisesti ilmaantuvat tyhjiöstä. Tavallisesti ne yhdistyisivät uudelleen ja kumoutuisivat, mutta tässä tapauksessa jakautuminen jättää toisen puoliskon jokaisesta parista pakenemaan todellisena säteilynä.
Itse asiassa Hawkingin oma suosittu selitys matematiikasta kuvaa ohikiitäviä virtuaalihiukkasia, joihin vaikuttaa äärimmäinen painovoima, jolloin toinen puolisko parista poistaa massaa mustasta aukosta äärimmäisen painovoiman ansiosta, joka antaa hiukkaselle negatiivista energiaa.
Toisten fyysikoiden mielestä tämä ”paikallinen” kuvaus kuvitteellisen viivan yli hajoavista hiukkasista on hieman harhaanjohtava.
Vaikka tarvitsisimme täydellisen teorian painovoiman roolista kvanttimekaniikassa kartoittaaksemme tämän vuorovaikutuksen kunnolla, Hawkingin johtopäätökset osoittavat, miten kaareva avaruus voi sekoittaa tapahtumahorisontin lähellä olevien kenttien kvanttiominaisuuksien sekoittumisen niin, että mustien aukkojen jotkin piirteet ”hajoavat”, kun taas jotkin ominaisuudet jätetään ennalleen. Juuri nämä ehjät ominaisuudet muistuttavat tiettyjä säteilylämpötiloja ja voivat aiheuttaa mustan aukon kutistumisen.