Η ακτινοβολία Hawking είναι μια ειδική περίπτωση του φαινομένου αυτού...

Οι κβαντικές διακυμάνσεις που διακατέχουν τον κενό χώρο γεννούν αυθόρμητα ζεύγη σωματιδίων και αντισωματιδίων. Συνήθως, αυτά τα ζεύγη αλληλοεξουδετερώνονται τόσο γρήγορα που η ύπαρξή τους ανήκει μόνο στον κόσμο των μαθηματικών, για αυτό ονομάζονται και εικονικά ή δυνητικά σωματίδια (virtual particles). Ωστόσο, ένα ισχυρό πεδίο μπορεί να απομακρύνει τα μέλη ενός εικονικού ζεύγους σωματιδίων για αρκετό χρονικό διάστημα, με αποτέλεσμα η ύπαρξή τους να γίνει πραγματική. Το 1951, ο Julian Schwinger υπολόγισε πόσο ισχυρό πρέπει να είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο για να γεννηθούν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Στις μέρες μας, ο Michael Wondrak και οι συνάδελφοί του από το Πανεπιστήμιο Radboud στην Ολλανδία μας λένε ότι τα ζεύγη σωματιδίων μπορούν να δημιουργηθούν από τις τεράστιες παλιρροιακές δυνάμεις βαρύτητας γύρω από μια μαύρη τρύπα [1].

Ο Wondrak και οι συνεργάτες του συνυπολόγισαν όλα τα μονοπάτια που θα μπορούσε να ακολουθήσει ένα ζευγάρι εικονικών σωματιδίων κατά τη σύντομη ύπαρξή τους. Αναφέρουν πως εάν το κενό είναι ευσταθές, όλα τα ζεύγη που δημιουργούνται θα πρέπει επίσης να καταστρέφονται. Ένα όμως ισχυρό πεδίο είναι σε θέση να αποσταθεροποιεί το κενό, κάνοντας κάποιες διαδρομές πιο πιθανές από άλλες, έχοντας ως αποτέλεσμα κάποιο έλλειμμα αναιρούμενων ζευγαριών. Το έλλειμμα αυτό εξισορροπείται από μια εκροή πραγματικών σωματιδίων-αντισωματιδίων, η οποία, στην περίπτωση του βαρυτικού πεδίου μιας μαύρης τρύπας, είναι σε θέση να προκαλέσει την εξάτμιση της μαύρης τρύπας.

Σχήμα: Σχηματική απεικόνιση του μηχανισμού παραγωγής σωματιδίων σε χωρόχρονο Schwarzschild. Ο ρυθμός συμβάντος παραγωγής σωματιδίων είναι υψηλότερος σε μικρές αποστάσεις (που αντιπροσωπεύεται από το μπλε στα Pie charts), ενώ η πιθανότητα διαφυγής (που αντιπροσωπεύεται από το λευκό) είναι υψηλότερη σε μεγάλες αποστάσεις. [1]

Η νέα προσέγγιση που προτείνεται από την ομάδα του Wondrak είναι σε θέση να αναπαράγει το φαινόμενο του Schwinger, αλλά και αυτό του Stephen Hawking. Ο Hawking είχε προτείνει ότι, εάν ένα ζεύγος σωματιδίου-αντισωματιδίου εμφανιστεί σε δυνητική ύπαρξη κοντά στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, το ένα μέλος μπορεί να πέσει μέσα ενώ το άλλο μπορεί να διαφύγει. Το γεγονός αυτό μπορεί να προκαλέσει την εξάτμιση της μαύρης τρύπας και την παράλληλη εκπέμπει ακτινοβολίας από αυτήν. Η ομάδα, λοιπόν του Wondrak διαπίστωσε ότι το φαινόμενο Hawkings αποτελεί μια ειδική περίπτωση ενός πιο γενικού φαινομένου το οποίο μας λέει ότι η "μεταμόρφωση" των εικονικών σωματιδίων σε πραγματικά σωματίδια εξαρτάται μόνο από το "τέντωμα" του χωροχρόνου που δημιουργείται από ένα βαρυτικό πεδίο και δεν απαιτείται ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, όπως αρχικά πρότεινε ο Hawking. Ένα ενδιαφέρον συμπέρασμα της έρευνας αυτής είναι ότι ένα αστέρι νετρονίων μπορεί επίσης να γεννήσει ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων από το κενό!

References

[1] M. F. Wondrak et al., “Gravitational pair production and black hole evaporation,” Phys. Rev. Lett. 130, 221502 (2023).