¿Cómo se evapora el agujero negro? Aprendiendo y Estudiando para siempre

Por “evaporación” se entiende normalmente el proceso de conversión del líquido en vapor. Pero aquí, en el caso de los agujeros negros, la palabra se usa más como una metáfora, una figura del habla. Hay dos formas en que un agujero negro puede evaporarse.

1. Los agujeros negros son cuerpos negros casi perfectos, en el sentido de que absorben toda la radiación que cae sobre ellos. (Un cuerpo negro se refiere a un objeto opaco que emite radiación térmica. Un cuerpo negro perfecto es aquel que absorbe toda la luz entrante y no refleja ninguna.) Se ha propuesto que los agujeros negros emiten radiación de cuerpo negro, llamada radiación de Hawking, con una temperatura Eso depende de la masa del agujero negro. (La ley de Stefan-Boltzmann describe la potencia irradiada de un cuerpo negro en términos de su temperatura).

El proceso por el cual los agujeros negros se evaporan se llama radiación de Hawking o, a veces, radiación de Bekenstein-Hawking . En 1972, un físico teórico estadounidense Jacob Bekenstein (1947-2015) introdujo una idea que afirmaba que los agujeros negros deberían tener una temperatura y una entropía finitas. Dos años después, el renombrado físico Stephen Hawking formuló una teoría completa que describe la radiación del cuerpo negro en los agujeros negros.

En la radiación de Hawking, se produce una producción continua de pares de partículas y antipartículas “virtuales” cerca del horizonte de eventos de un agujero negro debido a las fluctuaciones en la energía. (El cambio temporal en la cantidad de energía en un punto en el espacio, como se explica en el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg, permite la creación de pares de partículas virtuales antipartículas de partículas).

Normalmente, tal par colisionará y se aniquilará, por lo que estas partículas se denominan “virtuales”, ya que existen solo por un tiempo limitado. Sin embargo, la fuerza de gravedad ejercida por el agujero negro puede tirar de la antipartícula negativa, mientras que la partícula positiva se escapa. Debido a que la partícula positiva esencialmente esquiva la aniquilación y se deja en el espacio cuando la antipartícula negativa cae en el agujero negro, ya no es “virtual”, ahora es real. Por este proceso, el agujero negro parece haber emitido una partícula positiva. Esto es lo que se conoce como radiación de Hawking.

El año pasado, un físico en Israel realizó un experimento de laboratorio que puede haber producido radiación de Hawking, pero aún no se ha detectado en el espacio.

Puede preguntar por qué solo la antipartícula negativa entra en el agujero negro. Bueno, el par de partículas virtuales no son “partícula de energía negativa” y una “partícula de energía positiva”. En cambio, la pareja forma un sistema enredado donde es imposible distinguir entre ellos. El enredo surge en situaciones en las que tenemos conocimiento parcial del estado de dos sistemas. Este sistema enredado puede interactuar con el agujero negro y la división, y la interacción garantiza que la partícula emergente será la positiva. En otras palabras, cualquiera que sea la partícula que caiga, tiene energía negativa en relación con un observador.

Entonces, nuevamente, típicamente, la mayor parte de la radiación de Hawking estaría hecha de fotones solamente. Los fotones no tienen antifotones, por lo que podemos decir que son sus propios antipartículas. Un fotón de energía negativa significa que un estado de átomo excitado, al absorber este fotón de energía negativa, en lugar de la emisión estimulada, colapsará de nuevo al nivel del suelo.

Se explica de otra manera por algunos investigadores. Imagina que tienes dos Parejas antipartícula partícula justo fuera del horizonte de eventos: para el par uno, la antipartícula cae y la partícula escapa, mientras que para el par dos, la partícula cae y la antipartícula se escapa. La partícula que se escapa del par uno y la antipartícula del par dos interactúan, produciendo dos fotones (que es lo que necesita para conservar la energía y el impulso) , que pueden escapar como la radiación de Hawking con energía real y positiva.

¡Pero esa energía no puede ser libre! ¿De dónde vino? Se debe restar de la masa del agujero negro, algo que puede suceder gracias a las partículas virtuales infalentes de la parte original “en” del par “de entrada” y el par de “entrada-salida”, respectivamente. Así que al final, tenemos radiación que se escapa y una masa más baja para el agujero negro.

De cualquier manera, con el tiempo, la adición continua de partículas negativas al agujero negro agrega energía negativa, lo que resulta en una disminución gradual de la masa del agujero negro. Esto a su vez hará que el tamaño de un agujero negro disminuya gradualmente. Con la disminución de tamaño, la temperatura del agujero negro aumenta hasta tal punto que el agujero negro eventualmente desaparece en una explosión extrema de radiación gamma , que a veces incluye todo tipo de partículas energéticas. Esto marca el final del agujero negro.

2. La temperatura de un agujero negro es inversamente proporcional a la masa, mientras que la “luminosidad” (cantidad total de energía emitida) es inversamente proporcional al cuadrado de la masa. Cuanto más masivo es el agujero negro, más baja es su temperatura. Los agujeros negros más grandes son más fríos y más oscuros. Los agujeros negros tienen masas que van desde el tamaño estelar de unas pocas masas solares, hasta agujeros negros supermasivos en los núcleos de galaxias, como el agujero negro de 4 millones de masas solares en el centro de la galaxia Vía Láctea. La temperatura de tales agujeros negros es extremadamente baja, acercándose a cero.

¿Evaporación de agujeros negros?

En algún momento lejano hacia el futuro, la temperatura de fondo del universo (radiación cósmica de fondo de microondas que se mantiene hoy en 2.7K) será más fría que los agujeros negros más fríos. Cuando esto sucede, los agujeros negros irradiarán lentamente el calor, convirtiendo su masa en energía. Por lo tanto, durante una incomprensible cantidad de tiempo, incluso los objetos vivos más largos del Universo, los poderosos agujeros negros, se desvanecerán en energía.

Sin embargo, el tiempo que tarda un agujero negro en evaporarse puede ser extremadamente largo, dependiendo de su tamaño. Los agujeros negros más pequeños se evaporan más rápido que los agujeros negros más grandes. Por ejemplo, los agujeros negros microscópicos se evaporarían en fracciones de segundos, pero, se estima que un agujero negro con la masa de nuestro Sol tardaría 10 ^ 67 años en evaporarse, es un 1 seguido de SIXTY-SEVEN ZEROS. Para los supermasivos en los núcleos de las galaxias, estás viendo 10 ^ 100 años y más. Esto claramente hace que la detección de la radiación de Hawking en el espacio sea imposible.