รังสีฮอว์คิง: หลุมดำก็ระเหยได้

ตามสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างเดียว หลุมดำกลืนทุกอย่างและไม่ปล่อยอะไรออกมา มวลของมันจึงเพิ่มได้อย่างเดียวและไม่มีวันลดลง แต่ สตีเฟน ฮอว์คิง ลองนำกลศาสตร์ควอนตัมมาใช้กับบริเวณรอบขอบฟ้าเหตุการณ์ และได้ผลที่ทำให้นักฟิสิกส์ทั้งโลกประหลาดใจ

หลุมดำมีอุณหภูมิ

ฮอว์คิงพบว่าหลุมดำแผ่รังสีออกมาเหมือนวัตถุดำที่มีอุณหภูมิ

อุณหภูมิแปรผกผันกับมวล หลุมดำยิ่งเล็กยิ่งร้อน หลุมดำมวลเท่าดวงอาทิตย์เย็นเพียงราวหกในร้อยล้านเคลวิน เย็นกว่ารังสีไมโครเวฟพื้นหลังจักรวาลที่ 2.7 เคลวินมาก ในปัจจุบันหลุมดำแบบนี้จึงดูดกลืนรังสีจากเอกภพมากกว่าที่แผ่ออก และยังโตขึ้นอยู่

คำอธิบายแบบภาพ

คำอธิบายที่นิยมเล่ากันคือ ในอวกาศว่างเปล่ามีคู่อนุภาคเสมือนเกิดขึ้นและหายไปตลอดเวลาตามหลักความไม่แน่นอน ถ้าคู่หนึ่งเกิดที่ขอบฟ้าพอดี ตัวหนึ่งอาจตกลงไปขณะที่อีกตัวหนีออกมาได้ ตัวที่ตกลงไปมีพลังงานติดลบ มวลของหลุมดำจึงลดลง ภาพนี้ช่วยให้นึกออก แต่ฮอว์คิงเองก็บอกว่าเป็นเพียงการเปรียบเทียบ การคำนวณจริงอาศัยการที่ความหมายของคำว่า "สุญญากาศ" ต่างกันสำหรับผู้สังเกตที่อยู่ใกล้และไกลจากหลุมดำ

ระเหยช้าเหลือเชื่อ

หลุมดำที่แผ่รังสีจะเสียมวลไปเรื่อย ๆ ร้อนขึ้น แผ่รังสีเร็วขึ้น จนระเหยหมดในที่สุด เวลาที่ใช้แปรตามกำลังสามของมวล

หลุมดำมวลเท่าดวงอาทิตย์ต้องใช้เวลาราว 10⁶⁷ ปี นานกว่าอายุปัจจุบันของเอกภพ (ราว 13,800 ล้านปี) อย่างเทียบไม่ได้ หลุมดำมวลยวดยิ่งใช้เวลาราว 10¹⁰⁰ ปี

หลุมดำยุคแรกเริ่ม

มีสมมติฐานว่าในเอกภพยุคแรกอาจเกิดหลุมดำขนาดเล็กจากความหนาแน่นที่ไม่สม่ำเสมอ หลุมดำที่มีมวลราวแสนล้านถึงล้านล้านกิโลกรัม (ราวภูเขาลูกหนึ่ง) จะระเหยหมดพอดีในยุคปัจจุบัน และควรปล่อยรังสีแกมมาออกมาเป็นแสงวาบสุดท้าย จนถึงปัจจุบันยังไม่พบสัญญาณแบบนี้

ความสำคัญทางทฤษฎี

แม้รังสีฮอว์คิงจะอ่อนเกินกว่าจะวัดได้จากหลุมดำจริง แต่การค้นพบนี้สำคัญมาก เพราะเป็นจุดที่สัมพัทธภาพทั่วไป กลศาสตร์ควอนตัม และอุณหพลศาสตร์มาบรรจบกัน หลุมดำมีเอนโทรปีที่แปรตามพื้นที่ผิวของขอบฟ้า และการระเหยนำไปสู่คำถามว่าข้อมูลของสิ่งที่ตกลงไปหายไปไหน ซึ่งเรียกว่าปฏิทรรศน์ข้อมูลของหลุมดำ