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

Quizás el mayor descubrimiento de Stephen Hawking, y la razón por la que es tan famoso entre los físicos, fue que los agujeros negros no viven para siempre.



Irradian su energía durante períodos de tiempo extremadamente largos a través de un proceso descubierto en 1974 y conocido como radiación de Hawking. Esta semana, uno de los lectores hizo la siguiente pregunta:

Desde el descubrimiento de la radiación de Hawking en publicaciones científicas, se ha descrito como la evaporación gradual de los agujeros negros debido a la aparición espontánea de partículas enredadas cerca del horizonte de eventos. Dicen que una partícula es absorbida por el BH, y la otra vuela y se convierte en radiación de Hawking. Debido a esta radiación, los BH pierden peso gradualmente y, como resultado, desaparecen por completo. La pregunta es, si una partícula cae en el agujero negro y la segunda se va volando, ¿por qué el agujero negro se vuelve más pequeño? ¿No debería, por el contrario, ganar masa?

La gran pregunta, que contiene algunos conceptos erróneos, algunos de los cuales surgieron por culpa del propio Hawking. ¡Vamos a resolverlo!



Hace más de 101 años, se encontró la primera solución exacta a la Teoría General de la Relatividad: el espacio-tiempo, que describe una singularidad masiva rodeada por un horizonte de eventos. El descubrimiento fue realizado por Karl Schwarzschild, quien inmediatamente se dio cuenta de que había descrito el BH: un objeto tan denso y masivo que incluso la luz no podía escapar de su atracción gravitacional.

Durante mucho tiempo se creyó que si se juntaba suficiente masa, empujándola a una región de espacio suficientemente pequeña, el colapso gravitacional al estado BH sería irreversible, y que independientemente de la configuración de masa inicial, la singularidad sería un punto, y el horizonte de sucesos sería una esfera. El único parámetro de interés para los científicos, el tamaño del horizonte de eventos, debe determinarse solo por la masa del agujero negro.



Con la absorción de BH de una cantidad creciente de materia, su masa crece y aumenta de tamaño. Durante mucho tiempo se creyó que esto continuaría hasta que no quedara materia para la absorción, o hasta que llegara el fin del universo.

Pero algo ha cambiado esta disposición. El descubrimiento revolucionario de que nuestro Universo consiste en pequeñas partículas indivisibles que obedecen su propio conjunto de leyes, el conjunto cuántico. Las partículas interactúan entre sí a través de varias interacciones fundamentales, cada una de las cuales se puede representar como un conjunto de campos cuánticos.



¿Quiere saber cómo interactúan dos partículas cargadas eléctricamente o cómo interactúan los fotones? Todo esto está controlado por la electrodinámica cuántica, o la teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas. ¿Qué pasa con las partículas responsables de las fuertes interacciones: la fuerza que mantiene unidos los protones y otras partículas en los núcleos? Esta es la cromodinámica cuántica, o la teoría cuántica de las interacciones fuertes. ¿Qué pasa con la desintegración radiactiva? Esta es una teoría cuántica de interacciones nucleares débiles.

Pero este kit carece de dos componentes. Uno es fácil de notar: en el mundo cuántico, la interacción gravitacional no se tiene en cuenta, ya que no tenemos una teoría cuántica de la gravedad. Y la segunda es más complicada: las tres teorías cuánticas mencionadas generalmente funcionan en el espacio plano, donde las interacciones gravitacionales pueden descuidarse. El espacio-tiempo correspondiente a esto en GR se llama espacio de Minkowski. Pero al lado del agujero negro, el espacio se dobla y se convierte en el espacio de Schwarzschild.



¿Y qué sucede con estos campos cuánticos no en el espacio vacío y plano, sino en el espacio curvo cerca del BH? Hawking abordó este problema en 1974, demostrando que la presencia de estos campos en un espacio curvo cerca del agujero negro conduce a la aparición de radiación térmica de un cuerpo negro a cierta temperatura. Esta temperatura y flujo son menos, el BH más masivo, debido al hecho de que la curvatura del espacio es menor en el horizonte de eventos para un BH más grande y más masivo.

En el popular libro de ciencia, Una breve historia del tiempo (todavía en primer lugar en Amazon en las secciones de cosmología y física relativista), Stephen Hawking describe un vacío de espacio que consiste en pares de partículas virtuales / antipartículas que surgen y desaparecen. Según él, al lado de BH a veces uno de los dos componentes de este par virtual a veces cae más allá del horizonte de eventos, mientras que el otro permanece afuera. En ese momento, como él escribe, el miembro externo de la pareja huye con energía real y positiva, y el miembro interno tiene energía negativa, debido a que la masa de BH disminuye, lo que conduce a su evaporación gradual.



Naturalmente, tal imagen es incorrecta. Para empezar, la radiación proviene no solo del borde del horizonte de eventos BH, sino de todo el espacio que lo rodea. Pero el mayor error en la idea de este proceso es que, de hecho, el BH emite fotones, no partículas y antipartículas. De hecho, la radiación tiene una energía tan baja que no es capaz de producir pares de partículas / antipartículas en absoluto.

Intenté mejorar la explicación de lo que estaba sucediendo, enfatizando que estamos hablando de partículas virtuales, es decir, de una forma de visualizar campos cuánticos en la naturaleza; Estas no son partículas reales. Pero estas propiedades pueden conducir y provocar la aparición de radiación real.



Pero esto no es del todo cierto. Esta explicación implica que, no lejos del horizonte de eventos, la radiación será fuerte y aparecerá débil y a baja temperatura solo a una gran distancia del BH. De hecho, la radiación es pequeña en todas partes, y solo un pequeño porcentaje de radiación puede asociarse con el horizonte de eventos en sí.

La explicación real es mucho más compleja y muestra que esta imagen primitiva tiene sus limitaciones. La raíz de los problemas es que diferentes observadores obtienen imágenes diferentes de lo que está sucediendo y la percepción de partículas, y este problema es más complicado en el espacio curvo que en el plano. En pocas palabras, un observador verá el espacio vacío, pero otro, moviéndose rápidamente, verá partículas en él. La esencia de la radiación de Hawking está continuamente relacionada con el lugar donde se encuentra el observador y lo que ve, dependiendo de si se está moviendo o descansando a una velocidad acelerada.



Al crear un BH en un lugar donde no estaba allí, aceleras las partículas fuera del horizonte de eventos, que finalmente caen dentro de este horizonte. Este proceso es la fuente de esta radiación, y los cálculos de Hawking muestran la increíble duración del proceso de evaporación con el tiempo. Un BH con una masa de una evaporación solar tomará 10 ⁶⁷ años. Para el agujero negro más grande del Universo que pesa 10 mil millones de paneles solares, tomará 10 ¹⁰⁰ años. Además, la edad del universo actual es de solo 10 ¹⁰ años, y la tasa de evaporación es tan pequeña que pasarán otros 10 ²⁰ años antes de que los BH comiencen a evaporarse más rápido de lo que crecen debido a colisiones aleatorias con protones, neutrones o electrones interestelares.

Por lo tanto, respondiendo brevemente la pregunta del lector, podemos decir que la imagen dibujada por Hawking está demasiado simplificada hasta el punto de que se equivoca. La respuesta más larga es que la aparición de radiación es causada por una caída en el BH de la materia, y debido al espacio extremadamente curvado alrededor del horizonte de eventos, esta radiación se emite muy lentamente, durante períodos de tiempo tan largos y en tan grandes volúmenes de espacio. Para explicaciones aún más largas y técnicas, recomiendo referirse (para aumentar la complejidad) a los textos de Sabina Hossenfelder, John Baez y Steve Giddings.

Source: https://habr.com/ru/post/es400705/