🌭 👩🏻‍🎨 🌲 Pregúntele a Ethan No. 57: ¿Cómo mueren los agujeros negros? 💄 🌁 🌩️

Los objetos más densos y masivos del Universo viven un tiempo terriblemente largo, pero no para siempre. ¿Y qué les pasa?

Antes del hecho, siéntese como un niño y prepárese para separarse de cualquier prejuicio, siguiendo modestamente hacia dónde y hacia lo que los abismos de la naturaleza no conducirían, o no aprenderá nada.
- T. G. Huxley

Al imaginar los agujeros negros, probablemente piense en secciones de espacio superdensas y muy masivas desde donde nada puede escapar. ¡Ni materia, ni antimateria, ni siquiera luz! También puede pensar que continúan comiendo todo lo que no tuvo la suerte de encontrarse con ellos, incluso la materia oscura. Pero en algún momento, cualquier agujero negro en el Universo no solo terminará de crecer, sino que también comenzará a disminuir, ¡perderá masa, hasta que se evapore por completo! Esta semana en nuestra columna contestaremos la pregunta de Pavel Zhuzhelsky quien pregunta:

A menudo veía explicaciones de radiación de Hawking como: “pares de partículas virtuales aparecen en el horizonte de eventos. Uno cae en el agujero, el otro se escapa, llevando consigo una partícula de la masa del agujero ". Y generalmente se indica en letra pequeña que esto es una simplificación. Quizás esto sea así, porque si una de las partículas cae en el agujero, su masa debería aumentar en la masa de la partícula. ¿Cuál es el truco?

Este es un tema muy complejo, pero que entendemos. Comencemos discutiendo cómo se ve el espacio vacío.

En la teoría general de la relatividad, el espacio y el tiempo tienen una conexión intrincada y forman el tejido tetradimensional del espacio-tiempo. Si elimina todas las partículas del Universo a una distancia infinitamente grande del punto que necesita, si elimina el hecho de la expansión del espacio de las ecuaciones, si también elimina todos los tipos de radiación y la curvatura inherente en el espacio, puede afirmar que ha creado un espacio vacío plano.

Pero cuando comienzas a tener en cuenta que vives en el Universo, donde todas las partículas y sus interacciones están controladas por la teoría del campo cuántico, tienes que admitir que incluso en ausencia de partículas físicas, los campos físicos que controlan sus interacciones no irán a ninguna parte. Una de las consecuencias de esto será que la entidad que concebimos como "espacio vacío plano" no se libra de la energía. En cambio, debe imaginar un espacio vacío plano como un vacío cuántico, donde hay campos cuánticos en todas partes.

Puede que esté familiarizado con la idea de que en una escala cuántica en el Universo existen incertidumbres inherentes en el espacio de parámetros específicos. No podemos conocer simultáneamente la ubicación y el momento de una partícula, y cuanto mejor medimos una de ellas, mayor es la incertidumbre de la segunda. La misma relación de incertidumbres es característica de la energía y el tiempo, lo cual es importante para nosotros ahora.

Si observa lo que imagina como espacio vacío, pero al mismo tiempo lo observa en un determinado momento, debe tener en cuenta que el momento es un período de tiempo infinitamente pequeño. Debido a esta relación de incertidumbre, existe una gran incertidumbre en la cantidad total de energía contenida incluso en el espacio vacío en este momento. Esto significa que, en principio, puede haber varios pares de partículas y antipartículas que existen por períodos muy cortos de tiempo, mientras obedecen las leyes de conservación conocidas vigentes en el Universo físico.

A menudo escuchamos una explicación como "los pares partícula-antipartícula surgen y desaparecen en un vacío cuántico", y aunque esta explicación es bastante clara, esto realmente no está sucediendo. No hay partículas reales, en el sentido de que si lanzas un fotón o un electrón a través de esta región del espacio, nunca se reflejarán desde una partícula de vacío cuántico. Esta descripción nos da la oportunidad de analizar el "temblor" inherente a un vacío cuántico, y muestra que hay un depósito de partículas virtuales que nos permite interpretar la energía inherente al espacio vacío como la suma de todas estas partículas virtuales.

Repito, ya que esto es importante: hay energía inherente en el espacio vacío en sí, y se puede representar como la suma de las fluctuaciones cuánticas inherentes a este espacio.

Sigamos adelante. Imagine que el espacio, en lugar de ser plano y vacío, todavía está vacío, pero ya curvo, es decir, hay desviaciones en el campo gravitacional del espacio.

¿Cómo serán nuestras fluctuaciones cuánticas? En particular, si permitimos que el espacio se deforme debido a la presencia de un agujero negro, ¿cómo se verán fuera y dentro del horizonte de eventos?

Las preguntas son buenas, y la mayoría de las veces, en busca de una respuesta, verá la siguiente imagen (incorrecta), que es la esencia de la pregunta de Paul:

Si imagina que los pares de partículas / antipartículas son reales, y si uno se escapa del agujero negro y el otro cae más allá del horizonte de eventos, entonces resulta que la energía ha aumentado en el Universo: la mitad fuera del agujero negro y la mitad de la masa del agujero negro. Pero estos pares de partículas y antipartículas no son reales, sino que representan solo una forma de visualizar y calcular la energía inherente al espacio.

El hecho es que con un espacio curvo, como recordarán, hay desviaciones del campo gravitacional. Utilizamos fluctuaciones para ayudar a visualizar la energía inherente en el espacio vacío, pero pueden ocurrir fluctuaciones que comienzan fuera del horizonte de eventos y caen dentro del horizonte antes de volver a aniquilarse. Pero la energía no puede ser robada del espacio vacío: algo debe suceder para preservarla. Por lo tanto, cada vez que una partícula virtual (o antipartícula) cae dentro, debe aparecer un fotón real (o un conjunto de ellas) para compensar. Y este fotón real que abandona el horizonte de eventos le quita energía al agujero negro.

El método que utilizamos anteriormente para visualizar el proceso, cuando una de las dos partículas cayó y la otra se escapó, es demasiado ingenuo para ser útil, ya que la reducción de los agujeros negros no se ve facilitada por partículas o antipartículas, sino por fotones correspondientes al espectro del cuerpo negro.

Prefiero una mejor imagen, aunque todavía es bastante ingenua. Imagine fluctuaciones cuánticas en las que cada vez que tiene un par de partículas antipartículas, una de las cuales cae hacia adentro, aparece otro par de partículas antipartículas, en el que la otra cae dentro. El vapor de la partícula y la antipartícula que queda afuera se aniquila, emite fotones reales, y los que caen adentro toman la cantidad correspondiente de masa (E = ms ² ) del agujero negro.

Esto todavía no es una analogía ideal (porque es solo una analogía), pero al menos los fotones dejan el horizonte de eventos en él, lo que corresponde a las predicciones de la radiación de Hawking. De hecho, aunque hay que hacer cálculos de la teoría del campo cuántico en el espacio-tiempo curvo para descubrirlo, la radiación de Hawking predice que el espectro de fotones corresponderá a un cuerpo completamente negro con una temperatura dada por:

que dará una temperatura de menos de un microKelvin para un agujero negro con una masa igual a la masa del Sol, menos de un picoKelvin para un agujero negro en el centro de nuestra galaxia, y solo unas pocas décimas de attoKelvin para el agujero negro más grande conocido. La tasa de disminución a la que corresponde esta radiación es tan pequeña que los agujeros negros crecerán incluso si absorben un protón en un período de tiempo comparable a la edad de nuestro Universo; esto continuará durante unos 10 ²⁰ años.

Después de esto, los agujeros negros en masa con el Sol finalmente comenzarán a perder debido a la radiación de Hawking en promedio más energía de la que absorben, y se evaporarán completamente después de 10 ⁶⁷ años, y el mayor de ellos después de 10 ¹⁰⁰años Esto puede exceder en gran medida la edad del universo, pero no es la eternidad. Y disminuirán debido a la radiación de Hawking, que emite fotones.

Como resultado: el espacio vacío tiene energía de nivel cero, que no es igual a cero, y en el espacio curvo, en el horizonte de eventos de un agujero negro, aparece un espectro de emisión de baja energía de un cuerpo absolutamente negro. Esta radiación quita la masa del agujero negro y comprime ligeramente el horizonte de eventos con el tiempo. Si insiste en representar la fuente de esta radiación como pares de partículas / antipartículas, al menos imagine dos pares a la vez. Luego, una partícula de un par y una antipartícula de otro se aniquilan, creando fotones reales que salen del agujero negro, y otro par virtual de partículas cae en el agujero y toma su energía (o masa).

¡Entonces los agujeros negros morirán! Gracias por la gran pregunta, Pavel, y si tiene preguntas o sugerencias, envíemelas.

Pregúntele a Ethan No. 57: ¿Cómo mueren los agujeros negros?

Los objetos más densos y masivos del Universo viven un tiempo terriblemente largo, pero no para siempre. ¿Y qué les pasa?

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