Het spectrum van een zwart gat

Wanneer een zwart gat verdampt en aan het einde explodeert, kunnen we dat dan detecteren? Heeft dat een bepaald karakteristiek spectrum? En kunnen we het überhaupt detecteren of is het net als het zwarte gat zelf onzichtbaar?
Hawking
Hawking

De temperatuur van een zwart gat is de Hawking-temperatuur:

Vergelijking

De verdamptijd heb ik gevonden (op deze pagina) middels deze integraal:
Vergelijking
Wanneer ik in vergelijking (2) t0, het begintijdstip van mijn observatie, gelijk aan nul stel en m1, de actuele massa van het zwarte gat, ook gelijk aan nul stel stel dan heb ik de totale verdamptijd:
Vergelijking
m0 en t0 zijn mijn begincondities en m1 en t1 zijn mijn actuele condities. Ik stel in vergelijking (2) m1 = M en t1 = t:
Vergelijking
Ik heb nu een vergelijking met tijd als functie van de massa, maar ik wil het omgekeerde:
Vergelijking
Dit stop ik vervolgens in vergelijking (1):
Vergelijking
Ik heb nu de temperatuur als functie van de tijd en ik vond op deze pagina de golflengte waarop het spectrum piekt bij een bepaalde temperatuur:
Vergelijking
Hierin is xp de oplossing van de volgende vergelijking:
Vergelijking
Vergelijking (6) stop ik in vergelijking (7):
Vergelijking
t0 is het begintijdstip van mijn observatie en het laatste gedeelte van het verdampproces is natuurlijk het spannendst. Het verdampen kan immers met gemak ziljoenen jaren duren terwijl er al die tijd niets noemenswaardigs gebeurt, het interessante en spectaculaire zit onmiskenbaar aan het einde. Daarom stel ik (tv is de verdamptijd en ∆t is de tijd gerekend vanaf het einde van het verdampen van het zwarte gat):
Vergelijking
Hiermee wordt vergelijking (9):
Vergelijking
Vergelijking (2) stelt mij in staat om de massa van het zwarte gat uit te rekenen een tijdsduur ∆t voor het einde van de verdamping:
Vergelijking
En dit stop ik tenslotte in vergelijking (11):
Vergelijking
Ik stop vergelijking (12) ook nog even in vergelijking (1):
Vergelijking
Merk op dat de oorspronkelijke massa van het zwarte gat helemaal niet meer voorkomt in de vergelijkingen (13) en (14), de laatste tijdsspanne van het verdampen is voor ieder zwart gat hetzelfde ongeacht de beginmassa. Wanneer de laatste minuut aanbreekt dan is de massa van het zwarte gat bijna 900 ton (volgens vergelijking (12)) en het maakt helemaal niet uit hoe zwaar het zwarte gat ooit was.
Zee met regenboog
De golflengte waarop het spectrum piekt bij een bepaalde temperatuur is volgens vergelijking (7) omgekeerd evenredig met de temperatuur en omdat het zwarte gat steeds heter wordt gaat deze golflengte naar nul, hetgeen bevestigd wordt door vergelijking (13).

Het is de hoogste tijd voor wat grafieken, achtereenvolgens de massa (vergelijking (12)), de temperatuur (vergelijking (14)) en de piekgolflengte (vergelijking (11)) van het spectrum tijdens de laatste minuut van het zwarte gat.
Grafiek
De grafiek van m0 (t)
Grafiek
De grafiek van T (t)
Grafiek
De grafiek van λp (t)
Echter, dit is niet het hele verhaal. De waarnemer van dit alles bevindt zich (hopelijk) op grote afstand van het zwarte gat en het spectrum ondergaat gravitationele roodverschuiving om zich aan de zwaartekracht van het zwarte gat te ‘ontworstelen’:
Vergelijking
Schwarzschild
Schwarzschild

Hierin is Rs de Schwarzschild-straal, de horizon van een zwart gat:

Vergelijking

In de slotfase van het verdampingsproces gaat de piekgolflengte λp naar nul, maar de noemer van vergelijking (14) gaat ook naar nul omdat alles zich bij de horizon afspeelt (dus r ≈ Rs). Daarbovenop gaat de horizon naar nul, omdat de massa van het zwarte gat naar nul gaat (zie vergelijking (16)). Kort samengevat: λp, M en Rs gaan alledrie naar nul in de laatste (fractie van een) seconde. Wat ziet een verre waarnemer dan uiteindelijk?