👧🏼 ™️ 🗽 Pergunte a Ethan nº 57: Como os buracos negros morrem? 🕔 🤱🏽 🎏

Os objetos mais densos e maciços do Universo vivem muito tempo, mas não para sempre. E então o que acontece com eles

Antes do fato, sente-se como uma criança e prepare-se para se separar de qualquer preconceito, seguindo modestamente onde e o que os abismos da natureza não levariam, ou você não aprenderá nada.
- T. G. Huxley

Ao imaginar buracos negros, você provavelmente pensa em seções de espaço superdensas e muito maciças de onde nada pode escapar. Nem matéria, nem antimatéria, nem mesmo luz! Você também pode pensar que eles continuam a comer tudo o que não teve a sorte de encontrá-los, até a matéria escura. Mas em algum momento, qualquer buraco negro no Universo não apenas terminará de crescer, mas também começará a diminuir, perder massa, até que evapore completamente! Nesta semana, em nossa coluna, responderemos à pergunta de Pavel Zhuzhelsky, que pergunta:

Muitas vezes eu vi explicações sobre a radiação de Hawking como: “pares de partículas virtuais aparecem no horizonte de eventos. Um cai no buraco, o outro foge, levando consigo uma partícula da massa do buraco ". E geralmente é indicado em letras pequenas que isso é uma simplificação. Talvez seja assim - porque se uma das partículas cair no buraco, sua massa aumentará de acordo com a massa da partícula. Qual é o problema?

Este é um tópico muito complexo, mas que entendemos. Vamos começar discutindo como é o espaço vazio.

Na teoria geral da relatividade, espaço e tempo têm uma conexão intricada e formam o tecido quadridimensional do espaço-tempo. Se você remover todas as partículas do Universo a uma distância infinitamente grande do ponto que precisa, se remover o fato da expansão do espaço das equações, se também eliminar todos os tipos de radiação e a curvatura inerente ao espaço, poderá afirmar que criou um espaço vazio e plano.

Mas quando você começa a considerar que vive no Universo, onde todas as partículas e suas interações são controladas pela teoria quântica de campos, você deve admitir que, mesmo na ausência de partículas físicas, os campos físicos que controlam suas interações não vão a lugar algum. Uma das conseqüências disso será que a entidade que concebemos como "espaço vazio plano" não é poupada de energia. Em vez disso, você precisa imaginar um espaço vazio plano como um vácuo quântico, onde existem campos quânticos em todo lugar.

Você pode estar familiarizado com a idéia de que, em uma escala quântica no Universo, existem incertezas inerentes no espaço de parâmetros específicos. Não podemos conhecer simultaneamente a localização e o momento de uma partícula, e quanto melhor medirmos uma delas, maior a incerteza da segunda. A mesma relação de incertezas é característica de energia e tempo, o que é importante para nós agora.

Se você observar o que imagina como espaço vazio, mas, ao mesmo tempo, observá-lo em um determinado momento, precisará considerar que o momento é um período infinitamente pequeno. Por causa dessa relação de incerteza, há uma enorme incerteza na quantidade total de energia contida, mesmo no espaço vazio no momento. Isso significa que, em princípio, pode haver vários pares de partículas e antipartículas que existem por períodos muito curtos, enquanto obedecem às leis de conservação conhecidas em vigor no universo físico.

Frequentemente ouvimos uma explicação como "pares partícula-antipartícula surgem e desaparecem no vácuo quântico" e, embora essa explicação seja bastante clara, isso não está realmente acontecendo. Não existem partículas reais, no sentido de que, se você lançar um fóton ou elétron por essa região do espaço, eles nunca serão refletidos a partir de uma partícula quântica de vácuo. Essa descrição nos dá a oportunidade de examinar o “tremor” inerente ao vácuo quântico e mostra que existe um reservatório de partículas virtuais que nos permite interpretar a energia inerente ao espaço vazio como a soma de todas essas partículas virtuais.

Repito, já que isso é importante: há energia inerente ao próprio espaço vazio e pode ser representada como a soma das flutuações quânticas inerentes a esse espaço.

Vamos seguir em frente. Imagine que o espaço, em vez de ser plano e vazio, ainda esteja vazio, mas já curvado - ou seja, há desvios no campo gravitacional do espaço.

Como serão nossas flutuações quânticas? Em particular, se permitirmos que o espaço entorte devido à presença de um buraco negro, como eles parecerão fora e dentro do horizonte de eventos?

As perguntas são boas e, na maioria das vezes, em busca de uma resposta, você verá a seguinte figura (incorreta), que é a essência da pergunta de Paulo:

Se você imagina que os pares partícula / antipartícula são reais, e se um foge do buraco negro e o outro cai além do horizonte de eventos, verifica-se que a energia aumentou no Universo: metade fora do buraco negro e metade da massa do buraco negro. Mas esses pares de partículas e antipartículas não são reais, mas representam apenas uma maneira de visualizar e calcular a energia inerente ao espaço.

O fato é que, com um espaço curvo, como você se lembra, existem desvios do campo gravitacional. Usamos flutuações para ajudar a visualizar a energia inerente ao espaço vazio, mas podem ocorrer flutuações que começam fora do horizonte de eventos e caem dentro do horizonte antes de re-aniquilar. Mas a energia não pode ser roubada do espaço vazio - algo deve acontecer para preservá-la. Portanto, toda vez que uma partícula virtual (ou antipartícula) cai dentro, um fóton real (ou um conjunto deles) deve aparecer para compensar. E esse fóton real saindo do horizonte de eventos retira energia do buraco negro.

O método que usamos anteriormente para visualizar o processo, quando um dos pares de partículas caiu e o outro fugiu, é ingênuo demais para ser útil, pois a redução de buracos negros não é facilitada por partículas ou antipartículas, mas por fótons correspondentes ao espectro do corpo negro.

Eu prefiro uma imagem melhor, embora ainda seja bastante ingênua. Imagine flutuações quânticas nas quais toda vez que você tem um par de partículas antipartículas, uma das quais cai para dentro, outro par de partículas antipartículas aparece, nas quais a outra cai dentro. O vapor da partícula e da antipartícula que fica do lado de fora aniquila, emitindo fótons reais e os que caem no interior recebem a quantidade correspondente de massa (E = ms ² ) do buraco negro.

Essa ainda não é uma analogia ideal (porque é apenas uma analogia), mas pelo menos os fótons deixam o horizonte de eventos nele, o que corresponde às previsões da radiação Hawking. De fato - embora você precise fazer cálculos da teoria quântica de campos no espaço-tempo curvo para descobrir - a radiação Hawking prevê que o espectro de fótons corresponderá a um corpo completamente preto com uma temperatura dada por:

que fornecerá uma temperatura inferior a um microKelvin para um buraco negro com uma massa igual à massa do Sol, menos de um picoKelvin para um buraco negro no centro de nossa galáxia e apenas alguns décimos de atKelvin para o maior buraco negro conhecido. A taxa de redução a que essa radiação corresponde é tão pequena que os buracos negros crescerão mesmo se absorverem um próton em um período de tempo comparável à idade do nosso Universo - isso continuará por cerca de 10 a ²⁰ anos.

Depois disso, os buracos negros acumulados com o Sol finalmente começarão a perder devido à radiação Hawking, em média, mais energia do que absorvem, e evaporarão completamente após 10 ⁶⁷ anos, e o maior deles após 10 ¹⁰⁰anos de idade. Isso pode exceder grandemente a idade do universo, mas não é a eternidade. E eles diminuirão devido à radiação Hawking, emitindo fótons.

Como resultado: o espaço vazio tem energia de nível zero, que não é igual a zero, e no espaço curvo, no horizonte de eventos de um buraco negro, um espectro de emissão de baixa energia de um corpo absolutamente preto aparece. Essa radiação retira a massa do buraco negro e comprime levemente o horizonte de eventos com o tempo. Se você insistir em representar a fonte dessa radiação como pares partícula / antipartícula, imagine pelo menos dois pares por vez. Em seguida, uma partícula de um par e uma antipartícula de outro aniquilam, criando fótons reais saindo do buraco negro, e outro par virtual de partículas cai no buraco e toma sua energia (ou massa).

Então buracos negros vão morrer! Obrigado pela ótima pergunta, Pavel, e se você tiver dúvidas ou sugestões, envie-as para mim.

Pergunte a Ethan nº 57: Como os buracos negros morrem?

Os objetos mais densos e maciços do Universo vivem muito tempo, mas não para sempre. E então o que acontece com eles

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