Pergunte a Ethan: Como os buracos negros realmente evaporam?

Talvez a maior descoberta de Stephen Hawking, e a razão pela qual ele é tão famoso entre os físicos, tenha sido que os buracos negros não vivem para sempre.



Eles irradiam sua energia por períodos extremamente longos, através de um processo descoberto em 1974 e conhecido como radiação Hawking. Nesta semana, um dos leitores fez a seguinte pergunta:

Desde a descoberta da radiação Hawking em publicações científicas, ela tem sido descrita como a evaporação gradual de buracos negros devido ao aparecimento espontâneo de partículas emaranhadas perto do horizonte de eventos. Eles dizem que uma partícula é sugada para o BH e a outra voa para longe e se torna radiação Hawking. Por causa dessa radiação, as BHs perdem peso gradualmente e, como resultado, desaparecem completamente. A questão é: se uma partícula cai no buraco negro e a segunda voa para longe, por que o buraco negro se torna menor? Ela não deveria, pelo contrário, ganhar massa?

A grande questão, contendo alguns equívocos, alguns dos quais surgiram por culpa do próprio Hawking. Vamos descobrir!



Já há mais de 101 anos, foi encontrada a primeira solução exata para a Teoria Geral da Relatividade: espaço-tempo, que descreve uma singularidade maciça cercada por um horizonte de eventos. A descoberta foi feita por Karl Schwarzschild, que imediatamente percebeu que havia descrito o BH: um objeto tão denso e maciço que nem mesmo a luz podia escapar de sua atração gravitacional.

Por um longo tempo, acreditava-se que se massa suficiente fosse reunida, empurrando-a para uma região suficientemente pequena do espaço, o colapso gravitacional para o estado de BH seria irreversível e que, independentemente da configuração inicial da massa, a singularidade seria um ponto e o horizonte de eventos seria uma esfera. O único parâmetro de interesse para os cientistas - o tamanho do horizonte de eventos - deve ser determinado apenas pela massa do buraco negro.



Com a absorção de BH de uma quantidade crescente de matéria, sua massa cresce e aumenta de tamanho. Por um longo tempo, acreditava-se que isso continuaria até que não houvesse mais matéria para absorção ou até o fim do universo.

Mas algo mudou essa disposição. A descoberta revolucionária de que nosso Universo consiste em pequenas partículas indivisíveis que obedecem a seu próprio conjunto de leis, o conjunto quântico. As partículas interagem entre si através de várias interações fundamentais, cada uma das quais pode ser representada como um conjunto de campos quânticos.



Deseja saber como duas partículas eletricamente carregadas interagem ou como os fótons interagem? Tudo isso é controlado pela eletrodinâmica quântica ou pela teoria quântica das interações eletromagnéticas. E as partículas responsáveis ​​pelas fortes interações: a força que mantém os prótons e outras partículas nos núcleos juntos? Isso é cromodinâmica quântica, ou a teoria quântica de interações fortes. E quanto à deterioração radioativa? Esta é uma teoria quântica de interações nucleares fracas.

Mas este kit não possui dois componentes. É fácil notar: no mundo quântico, a interação gravitacional não é levada em consideração, pois não temos uma teoria quântica da gravidade. E a segunda é mais complicada: as três teorias quânticas mencionadas geralmente funcionam em espaço plano, onde as interações gravitacionais podem ser negligenciadas. O espaço-tempo correspondente a isso no GR é chamado de espaço Minkowski. Mas próximo ao buraco negro, o espaço se curva e se transforma no espaço de Schwarzschild.



E o que acontece com esses campos quânticos não no espaço vazio e plano, mas no espaço curvo perto de BH? Hawking abordou esse problema em 1974, demonstrando que a presença desses campos em um espaço curvo perto do buraco negro leva ao aparecimento de radiação térmica de um corpo negro a uma certa temperatura. Essa temperatura e fluxo são tanto menores quanto mais massiva a BH, devido ao fato de que a curvatura do espaço é menor no horizonte de eventos para uma BH maior e mais massiva.

Em um livro de ciência popular, Uma Breve História do Tempo (ainda em primeiro lugar na Amazon nas seções de cosmologia e física relativística), Stephen Hawking descreve um vácuo espacial que consiste em pares de partículas / antipartículas virtuais que surgem e desaparecem. Segundo ele, próximo a BH, às vezes, um dos dois componentes desse par virtual às vezes cai além do horizonte de eventos, enquanto o outro permanece fora. Nesse momento, como ele escreve, o membro externo do casal foge com energia positiva real e o membro interno possui energia negativa, devido à qual a massa da BH diminui, o que leva à sua evaporação gradual.



Naturalmente, essa imagem está incorreta. Para iniciantes, a radiação vem não apenas da borda do horizonte de eventos de BH, mas de todo o espaço ao seu redor. Mas o maior erro na idéia desse processo é que, de fato, o BH emite fótons, não partículas e antipartículas. De fato, a radiação tem uma energia tão baixa que não é capaz de produzir pares de partículas / antipartículas.

Tentei melhorar a explicação do que estava acontecendo, enfatizando que estamos falando de partículas virtuais, isto é, sobre uma maneira de visualizar campos quânticos na natureza; estas não são partículas reais. Mas essas propriedades podem levar e levar ao aparecimento de radiação real.



Mas isso não é inteiramente verdade. Essa explicação implica que, não muito longe do horizonte de eventos, a radiação será forte e parecerá fraca e baixa temperatura apenas a uma grande distância da BH. De fato, a radiação é pequena em todos os lugares e apenas uma pequena porcentagem de radiação pode ser associada ao próprio horizonte de eventos.

A explicação real é muito mais complexa e mostra que esse quadro primitivo tem suas limitações. A raiz dos problemas é que diferentes observadores obtêm imagens diferentes do que está acontecendo e da percepção das partículas, e esse problema é mais complicado no espaço curvo do que no plano. Simplificando, um observador verá o espaço vazio, mas outro, movendo-se rapidamente, verá partículas nele. A essência da radiação de Hawking está continuamente relacionada a onde o observador está e o que ele vê, dependendo se ele está se movendo ou descansando em um ritmo acelerado.



Ao criar uma BH em um local onde não estava lá, você acelera partículas fora do horizonte de eventos, que eventualmente caem dentro desse horizonte. Esse processo é a fonte dessa radiação, e os cálculos de Hawking mostram quão incrivelmente longo esse processo de evaporação é prolongado ao longo do tempo. Uma BH com massa de uma evaporação solar levará 10 ⁶⁷ anos. Para o maior buraco negro do Universo, que pesa 10 bilhões de energia solar, levará 10 ¹⁰⁰ anos. Além disso, a idade do universo atual é de apenas 10 a ¹⁰ anos, e a taxa de evaporação é tão pequena que outros 10 a ²⁰ anos se passarão antes que as BHs comecem a evaporar mais rapidamente do que crescem devido a colisões aleatórias com prótons, nêutrons ou elétrons interestelares.

Portanto, respondendo brevemente à pergunta do leitor, podemos dizer que a imagem desenhada por Hawking é simplificada demais a tal ponto que ela se torna errada. A resposta mais longa é que o aparecimento de radiação é causado por uma queda na BH da matéria e, devido ao espaço extremamente curvo ao redor do horizonte de eventos, essa radiação é emitida muito lentamente, por longos períodos de tempo e em grandes volumes de espaço. Para explicações técnicas ainda mais longas, recomendo me referir (para aumentar a complexidade) aos textos de Sabina Hossenfelder, John Baez e Steve Giddings.

Source: https://habr.com/ru/post/pt400705/