Pregúntele a Ethan: ¿Cómo interactúa la materia oscura con los agujeros negros?

Los agujeros negros son uno de los objetos más extremos del Universo: la concentración de masa es tan grande que colapsa en una singularidad en su centro, de acuerdo con la teoría general de la relatividad. Los átomos, los núcleos e incluso las partículas fundamentales se aplastan a un grosor arbitrariamente pequeño en nuestro espacio tridimensional. Al mismo tiempo, todo lo que cae dentro está condenado a no aparecer nunca más, sino simplemente para complementar su atracción gravitacional. ¿Qué significa esto para la materia oscura? Nuestro lector pregunta:

¿Cómo interactúa la materia oscura con los agujeros negros? ¿Lo absorbe en una singularidad, como la materia ordinaria, y complementa la masa de un agujero negro? Si es así, ¿qué le sucede después de que un agujero negro se evapora a través de la radiación de Hawking?

Una excelente pregunta, y debes comenzar con qué son los agujeros negros.



En nuestro país, para enviar algo al espacio, es necesario superar la atracción gravitacional de la Tierra. En nuestro planeta, lo que llamamos la segunda velocidad espacial es de 11,2 km / s, y se puede lograr con la ayuda de potentes lanzamientos de cohetes. Si estuviéramos en la superficie del Sol, esta velocidad sería casi 55 veces mayor, es decir, igual a 617.5 km / s. Después de la muerte, nuestro Sol se reducirá a una enana blanca, cuya masa es aproximadamente igual al 50% de la masa actual del Sol, y el tamaño es el tamaño de la Tierra. En este caso, la segunda velocidad cósmica en su superficie será igual a 4570 km / s, o 1.5% de la velocidad de la luz.



Sirio A y B, una estrella normal como el Sol y una enana blanca. Aunque la enana blanca es mucho más pequeña en masa, su pequeño tamaño terrestre hace que la segunda velocidad cósmica sea mucho mayor.



Esto es importante, porque cuanta más masa acumule en un espacio, más cerca de la velocidad de la luz necesitará para escapar de este objeto. Y cuando esta velocidad en la superficie del objeto alcanza o excede la velocidad de la luz, entonces aquí no es solo la luz que no puede escapar, ya es obligatoria, según nuestra comprensión de la materia, la energía, el espacio y el tiempo, todo dentro del objeto colapsa en una singularidad. La razón es simple: todas las interacciones fundamentales, incluidas las fuerzas que contienen átomos, protones e incluso quarks, no pueden moverse más rápido que la luz. Entonces, si estás en algún lugar fuera del punto de singularidad e intentas sostener el objeto un poco más lejos contra el colapso gravitacional, no saldrá nada de él; El colapso es inevitable. Y para superar esta limitación, para empezar, necesitas una estrella más masiva que 20-40 masas solares.


Una estrella masiva al final de su vida, con su núcleo de hierro colapsando hacia adentro y formando un agujero negro.

Cuando el combustible se agota en su núcleo, el centro caerá hacia adentro bajo su propia gravedad y creará una supernova catastrófica, que dejará caer y destruirá las capas externas y dejará un agujero negro en el centro. Estos BHs de "masa estelar", cuya masa es del orden de 10 masas solares, crecen con el tiempo, absorbiendo cualquier materia o energía que se haya aventurado a acercarse demasiado a ellos. Incluso si caes en BH a la velocidad de la luz, no puedes salir. Debido a la curvatura extremadamente fuerte del espacio interior, inevitablemente caerá en la singularidad en el centro. Después de eso, solo agrega energía BH.


El agujero negro absorbe el disco de acreción

Desde el exterior no se puede decir si este BH estaba hecho originalmente de protones y electrones, neutrones, materia oscura o incluso antimateria. En BH, hasta donde sabemos, solo se pueden medir tres propiedades: masa, carga eléctrica y momento angular, es decir, su velocidad de rotación. La materia oscura, hasta donde sabemos, no tiene carga eléctrica ni números cuánticos ( carga de color , número de barión , número de leptón , etc.) que podrían conservarse o destruirse de acuerdo con la paradoja de la desaparición de información en BH.



Debido al principio de formación de BH (debido a las explosiones de estrellas supermasivas), en la primera vez después de su aparición, están casi 100% compuestos de materia normal (bariónica) y 0% de materia oscura. Recuerde que la materia oscura interactúa solo a través de la gravedad, en contraste con la materia normal, interactuando a través de interacciones gravitacionales, débiles, electromagnéticas y fuertes. Sí, por supuesto, la materia oscura en grandes galaxias y cúmulos es aproximadamente cinco veces más de lo normal, pero esto se resume en un halo galáctico gigante. En una galaxia ordinaria, este halo se extiende por varios millones de años luz, esféricamente, en todas las direcciones, y la materia normal se concentra en un disco con un volumen de 0.01% de materia oscura.


Materia normal en el disco central y materia oscura en el halo azul de una galaxia típica

Los BH generalmente se forman dentro de la galaxia, donde la materia normal domina la oscuridad. Considere la sección espacial donde estamos ubicados nosotros y nuestro Sol. Si lo rodea con una esfera de radio 100 UA alrededor del sistema solar, incluiremos todos los planetas, lunas, asteroides y casi todo el cinturón de Kuiper, pero la masa bariónica (materia normal) de lo que habrá dentro estará representada principalmente por la masa del Sol y será de aproximadamente 2 * 10 ³⁰ kg. Por otro lado, la cantidad total de materia oscura en esta esfera será de 1 * 10 ¹⁹ kg, es decir, aproximadamente 0.0000000005% de la masa de materia normal de la misma área, que es aproximadamente igual a la masa de un asteroide modesto como el planeta menor Juno, de unos 200 km de diámetro.



Con el tiempo, la materia oscura y la materia normal colisionarán con este agujero negro, y los absorberá, aumentando su masa. La mayor parte del crecimiento en masa de BH se debe a la materia normal y no a la materia oscura, aunque, en algún momento, miles de millones de años después, la tasa de descomposición de BH seguirá excediendo su tasa de crecimiento. La radiación de Hawking conducirá a la emisión de partículas y fotones fuera del horizonte de eventos del agujero negro, preservando toda la energía, carga y momento angular de los interiores de BH. Este proceso puede tomar de 10 ⁶⁷ años (para un BH con masa del Sol) a 10 ¹⁰⁰ años (para los BH más masivos, cuya masa es miles de millones de veces más que la solar), pero el resultado es una mezcla de todo lo que es posible.



Esto significa que BH también emitirá materia oscura, pero esto no depende en absoluto de si un BH particular alguna vez absorbió materia oscura. El agujero negro solo recuerda un pequeño conjunto de números cuánticos que han caído en él, y la cantidad de materia oscura que ha caído en él no se incluye en este conjunto. ¡Salir de allí no es para nada lo que entró!


Un ejemplo de la radiación de Hawking que sale del BH desde áreas cercanas al horizonte de eventos (¡solo una ilustración cualitativa!)

Entonces, al final, la materia oscura es solo otra fuente de alimento para BH, y no es muy buena. Ni siquiera es una fuente de alimento particularmente interesante. Los resultados de entrar en el BH de la materia oscura no diferirían de los resultados del experimento en el que brillaría en el BH con una linterna y absorbería sus fotones. Es suficiente verter en él, de acuerdo con la ecuación E = mc ² , tanta energía como materia oscura cayó en términos de masa. No hay otras cargas en la materia oscura y, por lo tanto, a excepción del momento angular adquirido debido a una caída fuera del centro del BH (que también se aplica a los fotones), no tendrá ningún efecto sobre el BH.