Astronomía

¿Cómo se evaporan los agujeros negros?

¿Cómo se evaporan los agujeros negros?


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¿Se evaporarán los agujeros negros si se evaporan? ¿Cuándo y por qué se evaporan? ¿Cuáles son las condiciones para la evaporación? ¿Bajo qué principio se evaporan?


La evaporación se produce a través de la radiación de Hawking. Este es un proceso muy lento y de baja energía. Tan bajo que la radiación cósmica de fondo de microondas, que está solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, vierte en el agujero negro mucha más energía de la que extrae la radiación de Hawking. Entonces, en principio, un agujero negro no puede evaporarse.

Con la excepción de los agujeros negros de tamaño atómico conjeturados, es decir, ya que la radiación de Hawking sería más pronunciada entonces.

Editar: vea esta respuesta en física SE: https://physics.stackexchange.com/a/26607/55483 El agujero negro necesitaría ser menos masivo que la luna para irradiar más energía de la que absorbe. Más grande que el tamaño atómico, como sugerí.


Radiación de venta ambulante. los electrones y positrones creados a partir del vacío deben "devolver" su energía, normalmente mediante la aniquilación entre sí. sin embargo, si uno atraviesa el horizonte de sucesos de un agujero negro y el otro escapa, la energía del agujero negro, así como la de la partícula, se "compensará" y la partícula que se escapó se volverá real. este es un proceso muy lento y, en la mayoría de las circunstancias, asumiría que un agujero negro acumularía más energía de la que pierde.


¿Se evaporan los agujeros negros?

¿Puede algo escapar de un agujero negro? ¿No son los agujeros negros los que se tragan todo y no escupen nada? Bueno, Hawking en la década de 1970 descubrió que las partículas pueden escaparse de un agujero negro y hacer que finalmente se evapore.

El vacío no está vacío, sino que está lleno de pares de partículas y antipartículas que aparecen espontáneamente. Cuando un par de partículas de este tipo aparece en las proximidades de un horizonte de sucesos (el límite de un agujero negro), una partícula cae en el agujero negro mientras que la otra escapa. El que cae en el agujero negro lo calienta y provoca la emisión de radiación de cuerpo negro conocida como radiación de Hawking.

La radiación de Hawking depende de la masa del agujero negro. Los agujeros negros de baja masa son más calientes y pueden emitir radiaciones más calientes que los masivos. Estas radiaciones son muy débiles para ser detectadas.

Agujeros negros sónicos

Créditos de imagen: Weinfurtner / Nature

William Unruh en 1981 mostró que las ecuaciones en el horizonte de eventos también se pueden aplicar a los horizontes sónicos. El horizonte sónico es el límite más allá del cual los fonones, cuantos de sonido, no pueden escapar.

Aunque es bastante imposible crear un horizonte de eventos, el físico Jeff Steinhauer y su grupo crearon un horizonte sónico utilizando condensado acelerado de Bose-Einstein. Cuando se produce un par de fonones cerca del horizonte sónico, un fonón cae en la región donde el flujo de fluido es mayor que la velocidad del sonido y el otro escapa a través de la región donde el flujo de fluido es menor que la velocidad del sonido.

"Es como si estuvieras tratando de nadar contra una corriente que
iba más rápido de lo que podrías nadar, te sentirías como si estuvieras
yendo hacia adelante, pero realmente estabas retrocediendo. Y eso es
análogo a un fotón en un agujero negro tratando de salir del
agujero negro pero siendo arrastrado por la gravedad en sentido contrario ”, dijo Steinhauer.

El fonón que cae en un agujero negro sónico lo calienta. Los resultados de este experimento muestran que la radiación de Hawking emitida por el agujero negro sónico es radiación de cuerpo negro y puede describirse mediante una sola temperatura, como argumentó Hawking.


Pregúntele a Ethan: ¿Cómo se evaporan realmente los agujeros negros?

Nada en el Universo vive para siempre. Todas las estrellas que se formarán algún día quemarán galaxias distantes y los cúmulos de galaxias serán alejados unos de otros por la energía oscura, incluso las estrellas dentro de una galaxia, en escalas de tiempo lo suficientemente largas, serán expulsadas gravitacionalmente. Sin embargo, en los centros de las galaxias, los objetos individuales más grandes del Universo se forman y crecen incluso en la actualidad: los agujeros negros supermasivos. Las más masivas contienen decenas de miles de millones de masas solares en una singularidad rodeadas por un horizonte de eventos, lo que las convierte en las entidades individuales más masivas que conocemos. Pero incluso ellos no vivirán para siempre, y Jim Gerofsky quiere saber qué sucede para hacer que mueran, preguntando:

[J] ust ¿qué es la radiación de Hawking? Los artículos de la prensa científica siguen refiriéndose a la producción de pares virtuales electrón-positrón en el horizonte de sucesos, lo que hace que un lego piense que la radiación de Hawking consiste en electrones y positrones que se alejan del agujero negro.

Como lo descubrió Stephen Hawking en 1974, los agujeros negros eventualmente se evaporan. Esta es la historia de cómo.

Lo primero en lo que tienes que pensar es en qué es realmente el espacio vacío. Imagina el vacío lo mejor que puedas, ¿qué eliminarías?

Podrías sacarle todas las partículas, para empezar. Cualquier materia, antimateria, fotones, radiación o cualquier otra cosa que puedas imaginar debe desaparecer. Necesita que su espacio esté desprovisto de cuantos que puedan estar presentes, o no estará vacío.

También tendrías que proteger tu región vacía de la influencia de cualquier cosa fuera de ella. No se debe permitir que lo penetren campos (o fuerzas) eléctricos, magnéticos o nucleares.

Incluso la influencia gravitacional de todo lo demás en el Universo debería eliminarse. Eso incluye la curvatura del espacio inducida por todas y cada una de las masas y todas las formas de energía, así como cualquier onda gravitacional, u ondulación en el espacio-tiempo, que podría pasar a través del espacio que ocupa.

En nuestra realidad física, en realidad no podemos hacer esto, pero en física teórica, podemos imaginarlo. Imagina una región del espacio sin nada en ella o sin influencia alguna. Las únicas cosas de las que no podrás deshacerte son el propio espacio-tiempo y las leyes de la física que gobiernan el Universo.

Sin embargo, incluso si nos limitamos a este tipo de vacío, cuando calculamos lo que está sucediendo en el propio espacio vacío, encontramos que no está tan vacío. En cambio, habrá una cierta cantidad de energía inherente a la estructura del espacio, debido al hecho de que la física cuántica sigue siendo real. Todo en el Universo tiene una incertidumbre inherente en él: posiciones inciertas, momentos inciertos e incluso cantidades de energía inherentemente inciertas.

Solo promediando todo, tanto en el tiempo como en el espacio, podemos obtener información significativa sobre cómo es el espacio vacío.

La energía del espacio vacío en sí no es algo que podamos determinar teóricamente en un sentido absoluto, nuestra caja de herramientas de cálculo no es lo suficientemente poderosa para hacerlo. Sin embargo, podemos medir la energía inherente al espacio vacío trazando un mapa de la expansión del Universo. Cuanto mejor midamos cómo se está expandiendo el Universo, mejor restringiremos las propiedades de la energía oscura, que parece equipararse a la energía del espacio vacío. Es la mejor medida absoluta de la densidad de energía del espacio vacío que tenemos.

Y, sorprendentemente, esa densidad de energía, por mucho que retrocedamos ante la conclusión, no es cero. La expansión del Universo se está acelerando, y eso implica que el propio espacio vacío tiene una densidad de energía positiva distinta de cero.

Así que ahora, reemplace su espacio-tiempo vacío con un espacio-tiempo igualmente vacío, con una excepción: deja caer una masa puntual única en una ubicación de su elección.

En términos técnicos, estás cambiando del espacio de Minkowski al espacio de Schwarzschild en términos no técnicos, estás agregando una cantidad variable de curvatura espacial a cada ubicación de tu Universo. Cuanto más cerca estés de la masa, más se curvará el espacio-tiempo, e incluso habrá un lugar donde, sin importar qué tipo de partícula seas o qué tan rápido te muevas o cuánto aceleres, escapar de esa región es imposible. .

La frontera entre poder escapar y no poder se conoce como horizonte de sucesos, y debería ser una propiedad de todos los agujeros negros que existen en nuestro Universo.

Con todo esto en mente, podría comenzar a armar algunas piezas de rompecabezas, tal como lo hizo Hawking. Quizás estés pensando, "está bien, hay todo tipo de partículas y antipartículas que entran y salen de la existencia, llenando el espacio vacío. Y ahora tenemos un horizonte de eventos: una región de la que nada puede escapar. Entonces, ocasionalmente, tal vez, uno de los pares de partículas que aparece fuera del horizonte de eventos se cruza para estar dentro del horizonte de eventos, antes de que pueda aniquilarse. La otra partícula, por lo tanto, puede escapar y llevar energía fuera del agujero negro mientras lo hace ".

Dado que la energía debe conservarse, puede armar una pieza más del rompecabezas y afirmar que la energía debe provenir de la masa del agujero negro en sí. Esto es muy similar a la explicación popular que presentó Hawking al explicar la radiación de Hawking, que detalla cómo se evaporan los agujeros negros.

Sin embargo, no es correcto de varias maneras. En primer lugar, esta visualización no es para partículas reales, sino virtuales. Estamos tratando de describir el vacío cuántico, pero estas no son partículas reales con las que puedas recoger o chocar. Los pares de partículas y antipartículas de la teoría cuántica de campos son solo herramientas de cálculo, no entidades físicamente observables. En segundo lugar, la radiación de Hawking que deja un agujero negro son casi exclusivamente fotones, no partículas de materia o antimateria. Y tercero, la mayor parte de la radiación de Hawking no proviene del borde del horizonte de eventos, sino de una región muy grande que rodea el agujero negro.

Si debe seguir la explicación de los pares de partículas y antipartículas, es mejor intentar verla como una serie de cuatro tipos de pares:

donde son los pares de entrada y salida los que interactúan virtualmente, produciendo fotones que transportan energía, donde la energía faltante proviene de la curvatura del espacio, y que a su vez disminuye la masa del agujero negro central.

Pero la verdadera explicación no se presta muy bien a una visualización, y eso preocupa a mucha gente. Lo que debe calcular es cómo se comporta la teoría cuántica del campo del espacio vacío en la región altamente curvada alrededor de un agujero negro. No necesariamente junto al horizonte de eventos, sino sobre una gran región esférica fuera de él.

No podemos calcular la energía absoluta del espacio vacío, ya sea curvo o no, pero lo que podemos hacer es calcular la diferencia en la energía y las propiedades del vacío cuántico entre el espacio vacío y el no vacío.

Cuando se realiza el cálculo de la teoría cuántica de campos en un espacio curvo, se llega a una solución sorprendente: que la radiación térmica del cuerpo negro se emite en el espacio que rodea el horizonte de sucesos de un agujero negro. Y cuanto más pequeño es el horizonte de eventos, mayor es la curvatura del espacio cerca del horizonte de eventos y, por lo tanto, mayor es la tasa de radiación de Hawking.

La explicación real es mucho más compleja y muestra que la imagen simplista de Hawking tiene sus límites. La raíz del problema no es que los pares partícula-antipartícula aparezcan y desaparezcan, sino que diferentes observadores tienen diferentes puntos de vista y percepciones de las partículas, y este problema es más complicado en el espacio curvo que en el plano.

Básicamente, un observador vería un espacio vacío, pero un observador acelerado vería partículas en ese espacio. El origen de la radiación de Hawking tiene mucho que ver con dónde está ese observador y lo que ven como acelerado versus lo que ven como en reposo.

El resultado es que los agujeros negros terminan emitiendo radiación térmica de cuerpo negro (principalmente en forma de fotones) en todas las direcciones a su alrededor, sobre un volumen de espacio que en su mayoría encapsula aproximadamente diez radios de Schwarzschild de la ubicación del agujero negro.

La gran parte de la explicación de Hawking que es correcta es que implica, dado el tiempo suficiente, que los agujeros negros no permanecerán para siempre, sino que se desintegrarán.

La pérdida de energía reduce la masa del agujero negro central, lo que eventualmente conduce a la evaporación total. La radiación de Hawking es un proceso increíblemente lento, en el que un agujero negro de la masa de nuestro Sol tardaría 10⁶⁷ años en evaporarse, el que está en el centro de la Vía Láctea requeriría 10 ones años, y los más masivos del Universo podrían tardar hasta 10! Años. Y siempre que un agujero negro se desintegra, lo último que ves es un destello brillante y enérgico de radiación y partículas de alta energía.

Sí, es cierto que la imagen original de Hawking de los pares de partículas y antipartículas producidos fuera del horizonte de eventos, con uno escapando y transportando energía mientras el otro cae y hace que el agujero negro pierda masa, está simplificado hasta el punto de ser totalmente erróneo. . En cambio, la radiación se forma fuera del agujero negro debido al hecho de que diferentes observadores no pueden ponerse de acuerdo sobre lo que está sucediendo en el espacio fuertemente curvado fuera de un agujero negro, y que alguien que esté parado a una distancia lejana verá un flujo constante de energía térmica. cuerpo negro, radiación de baja energía que emana de él. La extrema curvatura del espacio es la causa última de esto, y da como resultado que los agujeros negros, muy lentamente, se evaporen.

Esos pasos finales de desintegración, que no ocurrirán hasta mucho después de que la estrella final se haya consumido, están destinados a ser los últimos suspiros de energía que el Universo debe emitir. Cuando el agujero negro más masivo que haya existido finalmente se desintegra, será el último suspiro de nuevos cuantos de energía que nuestro Universo, tal como lo conocemos, creará.


1 respuesta 1

Bueno, aquí hay un escenario simple:

El vacío teórico del campo cuántico está hirviendo con la producción de pares de partículas virtuales en todas partes. Tome uno de esos pares virtuales en el horizonte de eventos del agujero negro. Una parte de la pareja, si va hacia abajo, es agarrada por el agujero y desaparece mientras que la otra con su gran impulso huye del horizonte, en cáscara. ¿Dónde encontró la energía? Sigue leyendo

Una visión un poco más precisa, pero aún mucho más simplificada, del proceso es que las fluctuaciones del vacío hacen que un par de partículas y antipartículas aparezca cerca del horizonte de eventos de un agujero negro. Uno de los dos cae en el agujero negro mientras que el otro escapa. Para preservar la energía total, la partícula que cayó en el agujero negro debe haber tenido una energía negativa (con respecto a un observador alejado del agujero negro). Mediante este proceso, el agujero negro pierde masa y, para un observador externo, parecería que el agujero negro acaba de emitir una partícula. En otro modelo, el proceso es un efecto de túnel cuántico, mediante el cual se formarán pares de partículas y antipartículas a partir del vacío, y uno hará un túnel fuera del horizonte de eventos.

El observador lejano se utiliza para definir la "energía negativa" del compañero devorado.


Comentarios de la semana # 89: de la evaporación del agujero negro a las teorías científicas

Cada semana en Starts With A Bang trae consigo un nuevo conjunto de consideraciones sobre el Universo que todos habitamos. Fue muy ajetreado aquí, con dos contribuciones de invitados, que incluyen:

    (para Ask Ethan),, (para Mostly Mute Monday), (contribución de Jillian Scudder),, (un resumen fantástico de una conferencia sobre teoría de cuerdas, el multiverso y la ciencia, por Sabine Hossenfelder),
  • y El mayor problema sin resolver de la física teórica: por qué la gravedad es tan débil.

En una noticia muy emocionante, los primeros pedidos por adelantado de Beyond The Galaxy ahora se enviarán, ¡así que asegúrate de obtener el tuyo lo antes posible! Dicho esto, ¡vayamos directamente a nuestros comentarios de la semana!

De Llewelyn Evans sobre la formación estelar temprana: "He leído que las nubes de gas necesitan elementos más altos para poder irradiar calor, para poder colapsar y formar una estrella, y que las primeras estrellas probablemente tenían más de 100 masas solares".

Esto es mayormente correcto, si entiendo lo que está diciendo correctamente. Cada átomo, molécula y grano de polvo tiene la capacidad de absorber y emitir radiación, lo que contribuye al enfriamiento, pero algunos son mucho más eficientes que otros. El hidrógeno, en el 92% del Universo (por número atómico) al principio, es notoriamente pobre en él, al igual que el helio (el otro 8%). Lo que esperamos como resultado de esto es que cuando pensamos en los primeros cúmulos de estrellas en el Universo, es muy probable que tuvieran una función de masa inicial "superior pesada", al menos, en comparación con la función de masa actual.

Por tanto, esperamos que se forme una fracción mayor de estrellas de mayor masa en épocas anteriores que en épocas posteriores. Todavía estamos aprendiendo todo tipo de cosas sobre la física particular de cómo se forman las estrellas. Estoy más familiarizado con algunos de los trabajos principales realizados por Jim Truran de la Universidad de Chicago. Puede encontrar un buen conjunto de diapositivas en línea (de 2010) de uno de sus colaboradores, detallando más información al respecto. No sabemos cómo funciona el enfriamiento o la disipación de calor, o qué "apaga" la masa de estrellas en un ambiente libre de metales. (Usando la definición de metales de los astrónomos).

De Wow sobre la evaporación del agujero negro: "En realidad, se está perdiendo el hecho de que al que se escapa no se le atribuye nada hasta que su pareja está dentro del horizonte de sucesos del agujero negro".

Como todas las analogías, esta es limitada. La realidad es que no hay partículas masivas que se emitirá como parte de la radiación de Hawking por primera vez

10 ^ 60 años del Universo, ni siquiera neutrinos. Todo lo que obtendrás son fotones, ya que la energía de la radiación de Hawking es demasiado baja para que se produzca una partícula real. (¡La supresión exponencial es difícil de superar!)

Es muy difícil describir, en términos simples, cómo diferentes observadores ven el vacío en diferentes estados y cómo esta "paradoja" da lugar a la radiación, por lo que es tentador ir a una analogía. Pero la física real se desmorona, incluidas cosas como el espectro de energía de la radiación, dónde se origina y de qué está hecha la radiación en sí, mucho antes de que nos encontremos con esta noción de lo que está dentro o fuera del evento del agujero negro. horizonte.

De PJ on the Geminids: "Gracias, Ethan espero que tengamos cielos despejados aquí para el espectáculo".

Todos los del hemisferio sur siempre tienen que aguantar mi sesgo del hemisferio norte. Bueno, volteemos el guión, ¿cómo vería mejor un australiano a las Gemínidas? Aquí está la vista del cielo nocturno aproximadamente 2.5 horas después de la puesta del sol, desde Perth, en la noche del 13/14, cuando las Gemínidas están en su apogeo.

El "radiante" debería provenir de alrededor de las estrellas Pollux y Castor, que se elevan en el noreste aproximadamente 2 horas después de la puesta del sol. Los meteoros Gemínidas más brillantes y rápidos serán prácticamente visibles incluso antes de eso, siempre que mires hacia el este / noreste y disfrutes de un amplio campo de visión.

Desafortunadamente para mí, hemos estado recibiendo niveles récord de lluvia en el noroeste del Pacífico de los Estados Unidos, y los subsiguientes deslizamientos de tierra, cierres de carreteras, inundaciones y, lo más importante, cielos nublados que vienen con eso.

Gracias por nada, El Niño.

De Ragtag Media en mi libro: "Amigos, ¿ha habido actualizaciones de noticias sobre el libro [de Ethan]?"

    ! ¡También puede obtener el prefacio y la tabla de contenido (y el libro "material preliminar") de forma gratuita! Cómprelo directamente en World Scientific con un 30% de descuento utilizando el código de promoción WS15XMAS30. (Libro electrónico, tapa blanda o tapa dura. Recomiendo la tapa blanda).

¿Algo más que quieras saber?

De eric en TMT: "Simpatizo con las quejas de arrendamiento y violación de contrato y espero que la comunidad científica pueda trabajar con los lugareños para ser mejores socios económicos en el futuro. Soy menos comprensivo con los argumentos de lo sagrado".

Siento exactamente lo mismo. Muchos se oponen a mover la Tierra necesario para sentar las bases de TMT, y esos son argumentos de "sacralidad", pero aprendí algunas cosas inquietantes sobre las promesas incumplidas de la comunidad astronómica, incluida la forma en que intentaron recaudar dinero en 2013 para cubrir un déficit de $ 5 millones para los telescopios Keck, que en realidad se desvió al proyecto TMT. Mala fe.

De Denier en TMT: "Me alienta la línea más suave de los líderes de la oposición, ya que puede significar que se les puede aplacar * tos * tos * en este tema. Las bases parecen ser fanáticos que están inventando historias sobre los defectos de nacimiento siendo causado por todo el mercurio que los telescopios pusieron en el agua subterránea. Yo no inventé eso. Ese es uno de sus argumentos.
Dicho esto, aunque yo también he viajado por ese camino de acceso de mierda para llegar al circuito de pavimento extrañamente prístino en la cima de Mauna Kea, no puedo decir que haya caminado una milla en sus zapatos. Espero que todo funcione."

¡Casi vomito en ese camino! Sí, definitivamente recuerdo ese camino de acceso de mierda que mis fuentes me dicen que es tan malo como siempre, y también que soy un cobarde por tener náuseas en el viaje de regreso.

Sí, hay personas que se opondrán solo por oponerse, pero el punto principal aquí es que realmente depende de los astrónomos y la comunidad nativa llegar a un punto en el que la comunidad siente que se están beneficiando de esto y que lo hacen de una manera que es mayor que el costo. Eso es para que lo decidan ellos, no los astrónomos.

De Omega Centauri en el brillante de Ceres sal puntos: "[W] ikipedia enumera la velocidad de escape de Ceres como .51KM / seg. Supongo que la velocidad del sonido del vapor de agua es .2km / seg. La cola de la distribución maxwelliana de moléculas de vapor de agua debería estar bien lo suficientemente poblada como para que la tasa de fuga hacia el espacio interplanetario sea bastante alta. ¿De verdad crees que el vapor se está recondensando y arrastrando sales hacia las depresiones? "

La tasa de fuga al espacio interplanetario sería bastante alta. si no fuera por esa cosa molesta que llamamos noche. Un "día" rotatorio completo en Ceres dura sólo 9 horas terrestres, lo que significa que el hielo no tiene mucho tiempo para calentarse, convertirse en vapor de agua y luego encontrar la forma de escapar de la velocidad antes de que caiga la noche.

Una vez que eso suceda, tiene que empezar de nuevo, como

4 horas es tiempo más que suficiente para volver a caer a la superficie, enfriar y solidificar. Ahora, esta agua probablemente no tiene más de 4000 millones de años, pero si llegara a Ceres hace relativamente poco tiempo, aquí es donde, dentro de los cráteres profundos con paredes altas, sobreviviría más tiempo. Es probable que esa sea la razón por la que estamos encontrando los depósitos donde los estamos encontrando, incluso en el cráter Oxo.

Y sobre la naturaleza de la ciencia, de ambos Denier: "Cuando se llega al punto en que las teorías no se pueden probar, ese es el fin de la ciencia. Eso no quiere decir que no esté permitido filosofar sobre estructuras más profundas, pero no debería llamarse ciencia incluso cuando los científicos están filosofando ".

y Wow: "Nop. No más que axiomas significan el final de las matemáticas, a pesar de que es donde EMPIEZAN las matemáticas.
La falsabilidad popperiana ignora la lógica inductiva, que es tan antigua y puede reformularse como la navaja de Occam ".

Esta es una pregunta difícil. Cuando tiene una teoría exitosa que hace predicciones exitosas sobre lo que puede observar, como lo hace la inflación cósmica, pero luego hace otras predicciones que usted hipocresía observe, como lo hace la inflación cósmica, ¿dónde ya no se convierte en ciencia?

Si predice monopolos magnéticos, pero solo uno dentro de nuestro Universo observable, ¿eso es ciencia?

Si predice regiones del espacio-tiempo causalmente desconectadas de la nuestra, ¿es eso ciencia?

Y, para seguir la ruta de la teoría de cuerdas, si necesita un colisionador de un año luz de diámetro para probar su teoría, ¿es ciencia?

Yo diría que tiene el potencial de ser ciencia, pero en muchos sentidos, todavía se encuentra en la etapa precientífica. Que puedes hacer sin comprobable predicciones? La respuesta es mucha, pero no necesariamente científicamente rigurosa para ser llamada ciencia.


Los agujeros negros eventualmente se evaporan con el tiempo

Los agujeros negros pueden perder masa. Stephen Hawking teorizó en 1974 que los agujeros negros irradian pequeñas cantidades de partículas (principalmente fotones), un proceso conocido como "Radiación de Hawking". Este proceso de & # 8220evaporación & # 8221 puede hacer que el agujero negro se encoja con el tiempo y, en última instancia, desaparezca por completo. Sin embargo, es un proceso asombrosamente lento: tomaría alrededor de 10 ^ 67 años para que un agujero negro de la masa del Sol se evapore, significativamente más tiempo que los 14 mil millones de años que ha existido el Universo.

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Evaporación de agujero negro y colapso de capa delgada semiclásica

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Resultado de la investigación: Contribución a la revista ›Artículo› revisión por pares

T1 - Evaporación del agujero negro y colapso de capa delgada semiclásica

N1 - Copyright 2019 Sociedad Estadounidense de Física. Publicado por primera vez en Physical Review D, 100 (6), 064054. La publicación original está disponible en https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.064054. Versión archivada para uso privado y no comercial con el permiso del autor / es y según las condiciones del editor. Para obtener más derechos, póngase en contacto con el editor.

N2 - En caso de simetría esférica, los supuestos de formación en tiempo finito de una región atrapada y la regularidad de su límite —el horizonte aparente— son suficientes para identificar la forma del tensor métrico y de energía-momento en su vecindad. En comparación con los resultados conocidos de la evaporación cuasiestática de los agujeros negros, completamos la identificación de sus parámetros. La consistencia de las ecuaciones de Einstein permite solo dos tipos posibles de términos de orden superior en el tensor de energía-momento. Al utilizar su conservación local, proporcionamos un método de cálculo de los términos de orden superior, determinando explícitamente las correcciones regulares de orden principal. La contracción de una capa de polvo delgada esféricamente simétrica es el modelo más simple de colapso gravitacional. Sin embargo, la inclusión de una radiación provocada por el colapso en diferentes extensiones de este modelo conduce a aparentes contradicciones. Usando nuestros resultados, resolvemos estas contradicciones y mostramos cómo el colapso gravitacional puede completarse en un tiempo finito según un observador distante.

AB - En caso de simetría esférica, los supuestos de formación en tiempo finito de una región atrapada y la regularidad de su límite —el horizonte aparente— son suficientes para identificar la forma del tensor métrico y de energía-momento en su vecindad. En comparación con los resultados conocidos de la evaporación cuasiestática de los agujeros negros, completamos la identificación de sus parámetros. La consistencia de las ecuaciones de Einstein permite solo dos tipos posibles de términos de orden superior en el tensor de energía-momento. Al utilizar su conservación local, proporcionamos un método de cálculo de los términos de orden superior, determinando explícitamente las correcciones regulares de orden principal. La contracción de una capa de polvo delgada esféricamente simétrica es el modelo más simple de colapso gravitacional. Sin embargo, la inclusión de una radiación provocada por el colapso en diferentes extensiones de este modelo conduce a aparentes contradicciones. Utilizando nuestros resultados, resolvemos estas contradicciones y mostramos cómo el colapso gravitacional puede completarse en un tiempo finito según un observador distante.

JO - Revisión física D: cubriendo partículas, campos, gravitación y cosmología

JF - Physical Review D: cubriendo partículas, campos, gravitación y cosmología


¿Cómo se mata un agujero negro?

Los agujeros negros quieren absorber toda la materia y la energía del Universo. Es sólo cuestión de tiempo. Entonces, ¿qué podemos hacer para contraatacar? ¿Qué sobrearmas se han ideado para destruir los agujeros negros?

Los agujeros negros son los enemigos naturales de todas las razas espaciales. Con su insondable capacidad para consumir toda la luz y la materia, son solo unos septillones de años antes de que todas las cosas del Universo hayan encontrado su camino hacia las cavernosas fauces de un agujero negro, aplastadas en la singularidad infinitamente densa. Si Star Trek nos ha enseñado algo, es que es un imperativo de la humanidad sobrevivir contra viento y marea.

Entonces, ¿tomaremos esto acostados?
¡Diablos no!

¿Atacaremos primero y destruiremos los agujeros negros antes de que nos destruyan a nosotros?
¡Diablos, sí!

¿Pero cómo? ¿Cómo pudiste matar un agujero negro?
Esto & # 8230 se vuelve un poco complicado.

Para un agujero negro, cualquier materia que ingrese al horizonte de eventos se agrega a la masa. Dispara balas a un agujero negro y crearás un agujero negro un poco más masivo y un poco más peligroso. Detone una bomba nuclear dentro del horizonte de eventos y solo hará que el agujero negro sea más masivo. Dispare sus fásers delanteros al agujero negro, y eso aún lo hará aún más masivo. Cambie esas balas por láseres y a los agujeros negros no les importa. Dentro del horizonte de eventos, la energía y la materia son uno, y esos mismos agujeros negros pueden convertir esa energía en masa. Entonces, todos tus proyectiles y armas de energía, inevitablemente, lo hacen más peligroso.

¿Y si chocamos con una estrella? ¿Eso lo llenaría o lo quemaría? No. Simplemente devoraría esa estrella y seguiría con su negocio. ¿Si le abriéramos otro agujero negro? ¿Eso lo destrozaría? ¿La causa es también la cura? Ni siquiera quizás. Tan pronto como los agujeros negros entren dentro de los horizontes de eventos de los demás, simplemente se fusionarán en un agujero negro más masivo, e incluso más desagradable, más malo.

Número 1, es hora de sacar a la luz las grandes armas. Invierta el flujo de partículas, inunde la cámara de dilitio con partículas exóticas y diríjala a través del plato deflector principal y construya su propio agujero negro con antimateria. Luego, kamikaze este nuevo agujero negro de antimateria directamente en el agujero negro que quieres destruir. ¿Eso lo haría? ¿Resolvería eso nuestro problema?

Como probablemente sepas, cuando chocas materia contra antimateria, obtienes una explosión de energía pura. Es el arma de energía más perfecta que podemos imaginar. Como era de esperar, esto trae su propio conjunto de complicaciones. No está del todo claro que todavía tengas antimateria en tu agujero negro de antimateria. Posiblemente se haya convertido en un agujero negro de sabor regular.

Aún así, si * pudieras * estrellar juntos un agujero negro de materia regular y de antimateria, obtendrías una explosión incomprensible. Convirtiendo toda esa masa densa y gigantesca en energía pura, calculada por Einstein. Tan pronto como lo hicieras, toda esa energía se convertiría inmediatamente & # 8230 en más agujero negro.

Nada, ni siquiera la luz misma, puede escapar de un agujero negro. Eso incluye toda su magnífica energía de explosión de su impacto de antimateria. Ni siquiera lo verías pasar. Simplemente terminarías con un agujero negro con el doble de masa. Y eso podría ser justo lo que quiere.

Artista & # 8217s concepción del horizonte de sucesos de un agujero negro. Crédito: Victor de Schwanberg / Biblioteca de fotografías científicas

Como aprendimos en un episodio anterior, podemos extraer el momento angular de un agujero negro. Al dejar caer material en el horizonte de eventos, podemos eliminar energía y ralentizar su rotación. Incluso podemos detenerlo. Así que podemos ralentizar su giro, pero eso no hará que desaparezca.

Entonces, ¿es eso? ¿Estamos sin opciones? Buenas noticias, tenemos una última estrategia y es una locura que podría funcionar. Según Stephen Hawking, los agujeros negros pueden evaporarse durante enormes períodos de tiempo.

Pares virtuales de partículas están apareciendo constantemente a nuestro alrededor. Luego se recombinan en un instante y desaparecen del Universo. When one of these particle pairs appears right on the edge of a black hole, one particle falls into the black hole, and the other is free to fly off into space. And here’s the amazing thing. This might actually reduce the overall mass of the black hole.

So, over an incomprehensible period of time, even the most supermassive of the black holes will have evaporated away into a harmless soup of particles. It turns out, in order to defeat the black hole menace, all we need to do is ignore them, and they’ll go away all on their own.

What do you think? Tell us your best idea for how to kill a black hole in the comments below.


Ask Ethan: How Do Black Holes Actually Evaporate?

When you fall into a black hole or simply get very close to the event horizon, its size and scale appear much larger than the actual size. To an outside observer watching you fall in, your information would get encoded on the event horizon. What happens to that information as the black hole evaporates is still unanswered.Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

Nothing in the Universe lives forever. All the stars that will ever form will someday burn out distant galaxies and clusters of galaxies get pushed away from one another by dark energy even the stars within a galaxy, on long enough timescales, will get gravitationally ejected. At the centers of galaxies, though, the largest single objects in the Universe form and grow even today: supermassive black holes. The most massive ones contain tens of billions of solar masses in a singularity surrounded by an event horizon, making them the most massive individual entities we know of. But even they won’t live forever, and Jim Gerofsky wants to know what happens to cause them to die, asking:

[J]ust what is Hawking radiation? The science press articles keep referring to the electron-positron virtual pair production at the event horizon, which makes a lay person think that the Hawking radiation consists of electrons and positrons moving away from the black hole.

As discovered by Stephen Hawking in 1974, black holes eventually evaporate. This is the story of how.

After approximately 10^67-to-10^100 years, all of the Universe’s black holes will evaporate completely due to Hawking radiation, dependent on the black hole’s mass.NASA

The first thing you have to think about is what empty space truly is. Imagine emptiness as best you can what would you remove?

You could take all the particles out of it, for starters. Any matter, antimatter, photons, radiation, or anything else you can imagine must all go. You need your space to be devoid of any quanta that could be present, or you won’t be empty.

You’d also have to shield your empty region from the influence of anything outside of it. No electric, magnetic, or nuclear fields (or forces) should be allowed to penetrate it.

Even the gravitational influence of everything else in the Universe would have to be removed. That includes the curvature of space induced by any and all masses and all forms of energy, as well as any gravitational waves — or ripples in spacetime — that could pass through the space you occupy.

Ripples in spacetime are what gravitational waves are, and they travel through space at the speed of light in all directions. Gravitational effects must all be removed from a region of space to arrive at something truly considered ’empty.’European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS

In our physical reality, we can’t actually do this, but in theoretical physics, we can imagine it. Imagine a region of space with nothing in it or influencing it at all. The only things you won’t be able to get rid of are spacetime itself, and the laws of physics that govern the Universe.

Yet even if we restrict ourselves to this type of emptiness, when we calculate what’s going on in empty space itself, we find that it’s not so empty. Instead, there’s going to be a certain amount of energy inherent to the fabric of space, owing to the fact that quantum physics is still real. Everything in the Universe has an inherent uncertainty in it: uncertain positions, uncertain momenta, and even and inherently uncertain amounts of energy to it.

Only by averaging everything out, over both time and space, can we obtain any meaningful information at all about what empty space is like.

Visualización de un cálculo de la teoría cuántica de campos que muestra partículas virtuales en el vacío cuántico. Even in empty space, this vacuum energy is non-zero. Whether it has the same, constant value in other regions of the multiverse is something we cannot know, but there is no motivation for it to be that way.Derek Leinweber

The energy of empty space itself isn’t something we can theoretically determine in an absolute sense our calculational toolkit isn’t powerful enough to do it. We can measure the energy inherent to empty space by mapping out the expansion of the Universe, though. The better we measure how the Universe is expanding, the better we constrain the properties of dark energy, which appears to equate to the energy of empty space. It’s the best absolute measurement of the energy density of empty space we have.

And, quite stunningly, that energy density, as much as we might recoil from the conclusion, isn’t zero. The Universe’s expansion is accelerating, and that implies that empty space itself has a positive, non-zero energy density.

A representation of flat, empty space with no matter, energy or curvature of any type. This is the spacetime solution known as Minkowski space. And yet, from our measurements of dark energy, it appears that this empty space has a non-zero energy intrinsic to it.Amber Stuver, from her blog, Living Ligo

So now, replace your empty spacetime with equally empty spacetime, with one exception: you plop down a single, point mass at a location of your choosing.

In technical terms, you’re changing from Minkowski space to Schwarzschild space in non-technical terms, you’re adding a variable amount of spatial curvature to every location in your Universe. The closer you are to the mass, the more severely spacetime is curved, and there will even be a location where, no matter what type of particle you are or how fast you move or how much you accelerate, escape from within that region is impossible.

The border between being able to escape and not being able to is known as the event horizon, and ought to be a property of all black holes that exist in our Universe.

An illustration of heavily curved spacetime, ourside the event horizon of a black hole. As you get closer and closer to the mass’s location, space becomes more severely curved, eventually leading to a location from within which even light cannot escape: the event horizon.Pixabay user JohnsonMartin

With all of this in mind, you might start to put some puzzle pieces together, just as Hawking did. Perhaps you’re thinking, “okay, there are all sorts of particles and antiparticles that pop in-and-out of existence, filling empty space. And we now have an event horizon: a region from within which nothing can escape. So occasionally, perhaps, one of the particle pairs that pops into existence outside the event horizon crosses over to be inside the event horizon, before it can annihilate away. The other particle, therefore, can escape, and carry energy away from the black hole as it does.”

Since energy has to be conserved, you might then put together one more puzzle piece, and claim that the energy must come from the mass of the black hole itself. This is very similar to the popular explanation Hawking put forth in explaining Hawking radiation, which details how black holes evaporate.

If you visualize empty space as frothing with particle/antiparticle pairs that pop in-and-out of existence, you’ll see radiation coming from the black hole. This visualization is not quite correct, but the fact that it’s easy to visualize has its benefits.Ulf Leonhardt of the University of St. Andrews

It’s not right, though, in a number of ways. First off, this visualization is not for real particles, but virtual ones. We are trying to describe the quantum vacuum, but these are not actual particles that you can scoop up or collide with. The particle-antiparticle pairs from quantum field theory are calculational tools only, not physically observable entities. Second, the Hawking radiation that leaves a black hole is almost exclusively photons, not matter or antimatter particles. And third, most of the Hawking radiation doesn’t come from the edge of the event horizon, but from a very large region surrounding the black hole.

If you must adhere to the particle-antiparticle pairs explanation, it’s better to try and view it as a series of four types of pairs:

where it’s the out-in and in-out pairs that virtually interact, producing photons that carry energy away, where the missing energy comes from the curvature of space, and that in turn decreases the mass of the central black hole.

Hawking radiation is what inevitably results from the predictions of quantum physics in the curved spacetime surrounding a black hole’s event horizon. This diagram shows that it’s the energy from outside the event horizon that creates the radiation, meaning that the black hole must lose mass to compensate.E. Siegel

But   the true explanation   doesn’t lend itself very well to a visualization, and that troubles a lot of people. What you must calculate is how the quantum field theory of empty space behaves in the highly-curved region around a black hole. Not necessarily right by the event horizon, but over a large, spherical region outside of it.

We cannot calculate the absolute energy of empty space, whether it’s curved or uncurved, but what we can do is calculate the difference in the energy and properties of the quantum vacuum between empty and non-empty space.

When you perform the quantum field theory calculation in curved space, you arriveਊt a surprising solution: that thermal, blackbody radiation is emitted in the space surrounding a black hole’s event horizon. And the smaller the event horizon is, the greater the curvature of space near the event horizon is, and thus the greater the rate of Hawking radiation.

The event horizon of a black hole is a spherical or spheroidal region from which nothing, not even light, can escape. But outside the event horizon, the black hole is predicted to emit radiation. Hawking’s 1974 work was the first to demonstrate this, and it was arguably his greatest scientific achievement.NASA Jörn Wilms (T࿋ingen) et al. ESA

The real explanation is a lot more complex, and shows that the simplistic picture of Hawking has its limits. The root of the problem isn’t that particle-antiparticle pairs are popping in and out of existence, but that different observers have different views and perceptions of particles, and this problem is more complicated in curved space than in flat space.

Basically, one observer would see empty space, but an accelerated observer would see particles in that space. The origin of Hawking radiation has everything to do with where that observer is, and what they see as accelerated versus what they see as at rest.

The result is that black holes wind up emitting thermal, blackbody radiation (mostly in the form of photons) in all directions around it, over a volume of space that mostly encapsulates approximately ten Schwarzschild radii of the location of the black hole.

The simulated decay of a black hole not only results in the emission of radiation, but the decay of the central orbiting mass that keeps most objects stable. Black holes are not static objects, but rather change over time.EU’s Communicate Science

The big part of Hawking’s explanation that’s correct is that it does imply, given enough time, that black holes will not remain forever, but will decay away.

The loss of energy lowers the mass of the central black hole,਎ventually leading to total evaporation. Hawking radiation is an incredibly slow process, where a black hole the mass of our Sun would take 10 67  years to evaporate the one at the Milky Way’s center would require 10 87  years, and the most massive ones in the Universe could take up to 10 100  years! And whenever a black hole decays, the last thing you see is a brilliant, energetic flash of radiation and high-energy particles.

The decay of a black hole, via Hawking radiation, should produce observable signatures of photons for most of its life. At the very end-stages, though, the rate of evaporation and the energies of the Hawking radiation means there are explicit predictions for the particles and antiparticles that would be unique, and distinct from a scenario where no black hole was formed.ortega-pictures / pixabay

Yes, it’s true that Hawking’s original picture of particle-antiparticle pairs produced outside of the event horizon, with one escaping and carrying energy away while the other falls in and causes the black hole to lose mass, is oversimplified to the point of being totally wrong. Instead, radiation is formed outside the black hole owing to the fact that different observers cannot agree on what is happening in the strongly-curved space outside a black hole, and that someone who’s stationary a far distance away will see a steady stream of thermal, blackbody, low-energy radiation emanating from it. The extreme curvature of space is the ultimate cause of this, and results in black holes, very slowly, evaporating away.

Those final decay steps, which won’t occur until long after the final star has burned out, are fated to be the last gasps of energy the Universe has to give off. When the most massive black hole every to exist finally decays away, it will be the last gasp for new quanta of energy that our Universe, as we know it, will ever create.