Promieniowanie Hawkinga opisuje hipotetyczne cząstki formowane przez granicę czarnej dziury. Promieniowanie to sugeruje, że czarne dziury mają temperaturę odwrotnie proporcjonalną do ich masy.
Ujmując to inaczej, im mniejsza jest czarna dziura, tym goręcej powinna świecić.
Pomimo, że nigdy nie zostało bezpośrednio zaobserwowane, promieniowanie Hawkinga jest przewidywaniem popartym przez połączone modele ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Nazwane zostało na cześć wybitnego fizyka Stephena Hawkinga, który w 1974 r. opublikował pracę zatytułowaną Eksplozje czarnych dziur? argumentując za ich istnieniem.
Jeśli okazałoby się faktem, promieniowanie Hawkinga oznaczałoby, że czarne dziury mogą emitować energię i dlatego kurczą się w rozmiarze, z najmniejszymi z tych szalenie gęstych obiektów eksplodującymi gwałtownie w podmuchu ciepła (a największe powoli wyparowujące przez biliony lat w zimnej bryzie).
Dlaczego czarne dziury powinny świecić?
Kiedy materia wnika do czarnej dziury, jest skutecznie zamykana z dala od reszty Wszechświata. To również usuwa pewną miarę nieporządku; cecha, którą fizycy nazywają entropią.
Ponieważ to usunięcie materii pozostawia Wszechświat mniej nieuporządkowany, uważano, że łamie drugie prawo termodynamiki.
Student fizyki z Princeston w USA o nazwisku Jacob Bekenstein zauważył, że granica otaczająca przestrzeń najbardziej dotkniętą przez szaloną grawitację czarnej dziury – „powierzchnia” zwana horyzontem zdarzeń – powinna zwiększać swój obszar za każdym razem, gdy materia wpada do środka.
Wskazał, że powierzchnia ta reprezentuje miarę entropii, która w przeciwnym razie zostałaby utracona, sugestia, która powinna rozwiązać paradoks.
Hawking nie był tego taki pewien. Entropia jest innym sposobem opisania energii cieplnej, która z konieczności emituje promieniowanie. Jeśli horyzont zdarzeń ma entropię, to powinien w jakiś sposób świecić, co oznacza, że czarne dziury nie byłyby wcale takie czarne.
W swoich wysiłkach, aby obalić pozornie absurdalną sugestię Bekensteina, Hawking przedyskutował ją z innymi fizykami i próbował wykazać za pomocą modeli matematycznych, że nie jest ona możliwa.
W zamian odkrył, że czarne dziury naprawdę świecą zimnym światłem.
Jak czarne dziury wytwarzają promieniowanie Hawkinga?
Proces fizyczny stojący za emisją cząstek z okolic horyzontu zdarzeń czarnej dziury jest dość złożony i opiera się na solidnym zrozumieniu matematyki kwantowej teorii pola.
Jest on powszechnie opisywany jako rezultat rozdzielenia przez grawitację bliźniaczych „wirtualnych” cząstek, które naturalnie wyłaniają się z próżni. Zazwyczaj rekombinują i znoszą się, ale w tym przypadku rozdzielenie pozostawia jedną połowę każdej pary, która ucieka jako rzeczywiste promieniowanie.
W rzeczywistości, popularne wyjaśnienie matematyczne Hawkinga opisuje ulotne cząstki wirtualne dotknięte ekstremalną grawitacją, z jedną połową pary usuwającą masę z czarnej dziury dzięki ekstremalnej grawitacji dostarczającej cząstce ujemnej energii.
Inni fizycy uważają, że ten 'lokalny’ opis cząstek rozdzielających się na wyimaginowanej linii jest nieco mylący.
Chociaż potrzebowalibyśmy kompletnej teorii roli grawitacji w mechanice kwantowej, aby właściwie odwzorować tę interakcję, wnioski Hawkinga pokazują, jak zakrzywiona przestrzeń może zakłócić mieszankę właściwości kwantowych w polach w pobliżu horyzontu zdarzeń, do tego stopnia, że czarne dziury 'rozpraszają’ niektóre właściwości, pozostawiając inne nienaruszone. To właśnie te nienaruszone właściwości przypominają określone temperatury promieniowania i mogą powodować kurczenie się czarnej dziury.