Co to jest promieniowanie Hawkinga?
Promieniowanie Hawkinga (Hawking radiation) to teoretyczny efekt emisji cząstek przez czarne dziury, przewidziany matematycznie przez Stephena Hawkinga w 1974 roku i opublikowany w 1975. Wynika z połączenia ogólnej teorii względności (zakrzywiona przestrzeń-czas czarnej dziury) z mechaniką kwantową (kwantowe fluktuacje próżni). Mechanizm: w pobliżu horyzontu zdarzeń spontanicznie powstają pary cząstka-antycząstka wirtualne; jeśli antycząstka wpadnie za horyzont, a cząstka ucieknie – czarna dziura traci energię (masę) i emituje promieniowanie termiczne o temperaturze odwrotnie proporcjonalnej do masy czarnej dziury.
Temperatura Hawkinga: T = (h_bar * c^3) / (8 * pi * G * M * k_B), gdzie M to masa czarnej dziury. Dla czarnej dziury o masie Słońca T ok. 60 nanokelwinów – niewyobrażalnie zimna, dużo chłodniejsza od promieniowania tła CMB (ok. 2,7 K). Oznacza to, że gwiazdowe czarne dziury absorbuuja CMB szybciej niż emitują promieniowanie Hawkinga i faktycznie rosna zamiast maleć. Tylko czarne dziury o masie poniżej ok. 0,8% masy Księżyca (ok. 7 * 10^11 kg, tzw. primordial black holes, pierwotne czarne dziury) emitowałyby efektywnie i mogły odparować do dziś od czasu Wielkiego Wybuchu. Czas parowania: t ok. 5120 * pi * G^2 * M^3 / (h_bar * c^4). Dla czarnej dziury o masie Słońca t ok. 2 * 10^67 lat – astronomicznie dłużej niż wiek wszechświata (13,8 mld lat). Czarna dziura o masie samochodu (1000 kg) odparowałaby w ok. 10^-19 sekundy. Paradoks informacyjny czarnej dziury (Black Hole Information Paradox): czy promieniowanie Hawkinga niesie informację o tym, co wpadło do czarnej dziury? Hawking twierdził, że nie (co łamie unitarność mechaniki kwantowej); Susskind i Maldacena twierdzą, że tak. Problem nierozwiązany, kluczowy w teorii kwantowej grawitacji.
Promieniowanie Hawkinga nie zostało bezpośrednio zaobserwowane – temperatura promieniowania od gwiazdowych czarnych dziur jest 10 milionów razy zimniejsza od CMB i praktycznie niemierzalna. Poszukuje sie jego analogów w kondensatach Bosego-Einsteina i w akustycznych czarnych dziurach (sonic holes) w laboratoriach. W 2019 roku Jeffrey Steinhauer potwierdził eksperymentalnie istnienie akustycznego odpowiednika efektu Hawkinga w kondensat BEC. Jeśli pierwotne czarne dziury (PBH) powstały w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, te o masie ok. 10^15 g mogłyby wlasnie teraz dobiegnąć końca i emitować rozbłyski gamma obserwowalne przez satelity (Fermi, INTEGRAL).