Esiste una dimensione massima per un buco nero?

Per quanto ne capisco, i buchi neri irradiano radiazioni Hawking e probabilmente onde gravitazionali , che nel tempo causano la perdita di massa e l'evaporazione alla fine dopo un tempo quasi insondabile. Ho anche letto che i buchi neri alla fine hanno difficoltà ad aumentare di dimensioni dopo un certo punto perché le forze gravitazionali che lavorano nel disco di accreditamento di un buco nero possono eventualmente iniziare a espellere la materia in caduta prima che possa essere assorbita.

Mentre so che i buchi neri possono diventare piuttosto massicci, ciò mi porta a chiedermi se i buchi neri abbiano una dimensione massima possibile dove inizieranno a irradiare immediatamente qualsiasi massa aggiuntiva che viene aggiunta ad esso. O un buco nero può espandersi efficacemente per sempre finché la fornitura di materia è maggiore degli effetti delle radiazioni e dell'espulsione?

Esiste effettivamente un limite di dimensione per i buchi neri?

Come ha commentato David Hammen, la potenza emessa dalla radiazione Hawking è proporzionale a . Pertanto il tempo di evaporazione per un buco nero è proporzionale a . Ciò significa che un buco nero più massiccio è molto più stabile contro l'evaporazione rispetto a un buco nero di massa inferiore. M $M^{-2}$$M^3$

L'altro problema che menzioni è il tasso limitato che puoi "alimentare" un buco nero. C'è inevitabilmente un feedback; quando il gas viene compresso verso l'orizzonte degli eventi, diventa caldo ed emette radiazioni. La pressione di questa radiazione può eventualmente bilanciare l'inflazione gravitazionale interna. Per accrescimento simmetria sferica Questo porta al limite di Eddington , che fissa il tasso di accrescimento sferica massima, dove . Cioè, il tasso di accrescimento massimo è proporzionale alla massa del buco nero.$\dot{M}_{\rm max}\propto M$

Se l'accrescimento procede al limite di Eddington, la massa del buco nero cresce esponenzialmente con il tempo e con una caratteristica scala temporale di raddoppio di circa 50 milioni di anni (indipendentemente dalla massa originale - vedi questa pagina di Physics SE per alcuni dettagli matematici).

Se i buchi neri fossero limitati a questo tasso di accrescimento (sebbene ci siano alcune prove dalla presenza di quasar molto luminosi ad alto spostamento verso il rosso che potrebbero superarlo), allora la massa massima del buco nero dipenderà dall'età dell'universo e dalle dimensioni di i buchi neri iniziali del "seme". Se assumiamo una massa iniziale di 100 masse solari, un tempo raddoppiato di 50 milioni di anni e che i buchi neri del seme si sono formati 400 milioni di anni dopo il big bang (tutti plausibili, ma contestabili), allora ci sono stati 266 tempi raddoppiati il buco nero avrebbe potuto crescere di un fattore !$10^{80}$

Chiaramente non ci sono buchi neri con nessun punto vicino a questa massa nell'universo osservabile - il più grande sembra essere di masse solari. La loro crescita è limitata dalla loro offerta di cibo. Buchi neri supermassicci si trovano nei centri delle galassie. Esiste una relazione poco compresa tra la massa del buco nero e la massa del rigonfiamento della galassia in cui si trova. Il rapporto raggiunge un picco dell'1% circa per i rigonfiamenti più massicci (ad esempio, vedi Hu 2009 ; McConnell & Ma 2013 ). Dal momento che le massicce galassie ellittiche massicce sono dell'ordine di masse solari, questo sembra impostare la massa massima di un buco nero nell'universo attuale. 10 $10^{10}$$10^{12}$

Il futuro è la speculazione. Se il tasso di espansione cosmica continua ad accelerare, le fusioni di galassie diventeranno sempre più rare e le opportunità di ulteriore crescita del buco nero saranno limitate.

Esiste una dimensione massima per un buco nero?

No.

Per quanto ho capito, i buchi neri irradiano radiazioni Hawking

Questo è quello che dice la gente, ma non abbiamo prove concrete per le radiazioni Hawking. Tuttavia, anche se Hawking era corretto al 100%, come ha affermato Rob, le radiazioni Hawking hanno sempre meno effetto man mano che il buco nero diventa sempre più grande.

e probabilmente onde gravitazionali

Un buco nero da solo non emetterà nulla.

che nel tempo fa perdere loro la massa e infine evaporare dopo un tempo quasi insondabile.

Non ci sono prove scientifiche che un buco nero scomparirà. Tuttavia, esistono prove scientifiche dell'esistenza di buchi neri. C'è sicuramente qualcosa di molto piccolo e molto massiccio al centro della nostra galassia :

Ho anche letto che i buchi neri alla fine hanno difficoltà ad aumentare di dimensioni dopo un certo punto perché le forze gravitazionali che lavorano in un disco di accreditamento dei buchi neri possono eventualmente iniziare a espellere la materia in caduta prima che possa essere assorbita.

Sì, si dice che i buchi neri "soffocano" se provano a mangiare troppo in una volta. Vedi l'articolo Physicsworld Il buco nero supermassiccio lotta per ingoiare la Via Lattea . Ci sono altri problemi a che fare con i lampi di raggi gamma che significano che i buchi neri sono mangiatori disordinati, ma continuano a "mangiare", per così dire.

Mentre so che i buchi neri possono diventare piuttosto massicci, ciò mi porta a chiedermi se i buchi neri abbiano una dimensione massima possibile dove inizieranno a irradiare immediatamente qualsiasi massa aggiuntiva che viene aggiunta ad esso. O un buco nero può espandersi efficacemente per sempre finché la fornitura di materia è maggiore degli effetti delle radiazioni e dell'espulsione?

È quest'ultimo. Immagina di essere vicino a un buco nero supermassiccio. È così massiccio che qualsiasi radiazione Hawking è trascurabile. Non ha disco di accrescimento perché ha mangiato tutto o spazzato via. Cosa succede dopo? Ci cadi dentro. Così quel buco nero diventa più grande.

Esiste effettivamente un limite di dimensione per i buchi neri?

No. Se ci fosse, e il buco nero nello scenario sopra lo avesse raggiunto, non caderesti.

Non esiste una dimensione teorica massima inferiore alla dimensione dell'universo. Ma in natura non c'è modo che si formi un buco nero così grande.

Più interessanti, forse, sono i BH che si sono formati naturalmente. I più grandi BH naturali che conosciamo dei BH supermassicci nei centri galattici. C'è una relazione molto interessante che abbiamo osservato: la massa dei BH galattici non è mai superiore a circa 0,001 della massa del rigonfiamento centrale della loro galassia domestica .

Non capiamo - ancora - in dettaglio perché sia ​​così, ma si sospetta fortemente che un rigonfiamento galattico e il suo BH centrale crescano allo stesso tempo e smettano anche di crescere insieme. È stato fatto un lavoro di modellistica che lo rende plausibile, ma per quanto ne so nessuno ha una teoria pienamente soddisfacente che spieghi la loro origine e crescita.

I BH supermassicci a volte si fondono dopo la fusione delle loro galassie ospiti, sebbene nella maggior parte dei casi probabilmente non ci sia stato abbastanza tempo perché ciò accadesse. (Conosciamo le galassie con più SMBH in esse.)

Mettendo tutto insieme, i più grandi BH trovati in natura saranno alcune volte più di 0,001 della massa dei più grandi rigonfiamenti galattici e si formeranno quando si uniranno diverse galassie particolarmente grandi e i loro SMBH alla fine si fonderanno.