Pergunte a Ethan: O que acontece com uma singularidade quando um buraco negro evapora?

O horizonte de eventos de um buraco negro é uma seção esférica ou esferoidal da qual nada, nem a luz, pode escapar. Mas há uma previsão de que, fora do horizonte de eventos, um buraco negro emita radiação.

É difícil imaginar, dada a diversidade de formas aceitas pela matéria no Universo, que por milhões de anos existissem apenas átomos neutros de hidrogênio e hélio. Talvez seja quase o mesmo difícil imaginar que algum dia, depois de quatrilhões de anos, todas as estrelas se apagarão. Somente os restos de um universo vivo existirão, incluindo seus objetos mais impressionantes: buracos negros. Mas eles não são eternos. Nosso leitor quer saber exatamente como isso vai acontecer:

O que acontece quando um buraco negro perde energia suficiente devido à radiação Hawking, e sua densidade de energia não é mais suficiente para manter uma singularidade com o horizonte de eventos? Em outras palavras, o que acontece quando um buraco negro deixa de ser um buraco negro devido à radiação de Hawking?

Para responder a essa pergunta, é importante entender o que realmente é um buraco negro.


A anatomia de uma estrela muito massiva durante sua vida útil, culminando em uma supernova do tipo IIa no momento em que o combustível nuclear termina no núcleo

Os buracos negros são formados principalmente após o colapso do núcleo de uma estrela massiva que gastou todo o combustível nuclear e deixou de sintetizar elementos mais pesados ​​a partir dele. Com a desaceleração e cessação da síntese, o núcleo experimenta uma forte queda na pressão de radiação, o que apenas impedia a estrela de entrar em colapso gravitacional. Enquanto as camadas externas geralmente experimentam uma reação de fusão descontrolada e explodem a estrela original em uma supernova, o núcleo primeiro se encolhe para uma estrela de nêutrons, mas se sua massa é muito grande, até os nêutrons encolhem e se tornam densos. qual um buraco negro surge. BH também pode ocorrer quando uma estrela de nêutrons no processo de acumulação capta massa suficiente de uma estrela companheira e cruza a linha necessária para a conversão em BH.


Quando uma estrela de nêutrons ganha matéria suficiente, ela pode entrar em colapso em um buraco negro. Quando BH reúne matéria, seu disco de acreção e massa crescem, à medida que a matéria cai além do horizonte de eventos

Do ponto de vista da gravidade, tudo o que é necessário para se tornar um BH é coletar massa suficiente em um volume suficientemente pequeno para que a luz não possa escapar de uma determinada seção. Cada massa, incluindo o planeta Terra, tem sua própria velocidade de escape: a velocidade que você precisa atingir para escapar da atração gravitacional a uma certa distância (por exemplo, a uma distância do centro da Terra até sua superfície) do centro de massa. Mas se você ganhar massa suficiente para que a velocidade necessária a uma certa distância do centro de massa seja igual à luz - nada poderá escapar dela, pois nada pode ultrapassar a luz.


A massa do buraco negro é o único fator que determina o raio do horizonte de eventos para uma BH isolada não rotativa

Essa distância do centro de massa na qual a velocidade da fuga é igual à velocidade da luz - vamos chamá-la de R - determina o tamanho do horizonte de eventos do buraco negro. Mas o fato de que nessas condições a matéria está dentro leva a consequências menos conhecidas: tudo isso deve desmoronar para uma singularidade. Pode-se imaginar que existe um estado da matéria que permite permanecer estável e ter um volume finito dentro do horizonte de eventos - mas isso é fisicamente impossível.

Para ter um efeito externo, a partícula interna deve enviar a partícula transferindo a interação para longe do centro de massa em direção ao horizonte de eventos. Mas essa partícula de transporte de interação também é limitada pela velocidade da luz, e não importa onde você esteja dentro do horizonte de eventos, todas as linhas do mundo terminam em seu centro. Para partículas mais lentas e mais massivas, é ainda pior. Assim que o BH com o horizonte de eventos aparece, toda a matéria dentro dele é comprimida em uma singularidade.


O espaço-tempo exterior do Schwarzschild BH, conhecido como parabolóide de Flamm , é fácil de calcular. Mas dentro do horizonte de eventos, todas as linhas geodésicas levam a uma singularidade central.

E como nada pode escapar, pode-se decidir que BH é eterna. E se não fosse a física quântica, seria exatamente isso. Mas na física quântica, há uma quantidade diferente de zero de energia inerente ao próprio espaço: vácuo quântico. Em um espaço curvo, um vácuo quântico adquire propriedades ligeiramente diferentes das de um plano, e não há regiões onde a curvatura seja maior do que na vizinhança da singularidade do buraco negro. Se compararmos essas duas leis da natureza - física quântica e espaço-tempo de GR em torno de BH - obtemos uma radiação Hawking.


Uma visualização da cromodinâmica quântica demonstra como os pares partícula / antipartícula emergem do vácuo quântico em intervalos muito curtos como conseqüências do princípio da incerteza de Heisenberg

Se você realizar cálculos de acordo com a teoria quântica de campos no espaço curvo, obterá uma resposta surpreendente: a radiação térmica de um corpo negro é emitida do espaço ao redor do horizonte de eventos de um buraco negro. E quanto menor o horizonte de eventos, maior a curvatura do espaço ao lado e maior a velocidade da radiação Hawking. Se nosso Sol fosse um buraco negro, sua temperatura de radiação Hawking seria 62 nK. Se pegarmos o BH no centro de nossa galáxia, cuja massa é 4.000.000 de vezes maior, a temperatura já será de 15 fK, apenas 0,000025% da primeira.


Imagem composta da área de raios-x e infravermelho, que mostra a BH no centro de nossa galáxia: Sagitário A * . Sua massa é 4 milhões de vezes a do sol e é cercada por gás quente emitindo raios-x. E também emite radiação Hawking (que não podemos detectar), mas a uma temperatura muito mais baixa.

Isso significa que pequenas BHs evaporam mais rapidamente, enquanto grandes BHs vivem mais. Os cálculos dizem que a BH da massa solar existirá 10 ⁶⁷ anos antes de evaporar, mas a BH no centro de nossa galáxia viverá outras 10 ²⁰ vezes antes da evaporação. Mas a coisa mais louca sobre tudo isso é que, até a última fração do último segundo, o BH mantém o horizonte de eventos, até o momento em que sua massa se torna zero.


A radiação Hawking segue inevitavelmente as previsões da física quântica no espaço-tempo curvo em torno do horizonte de eventos de BH

Mas o último segundo da vida de BH será caracterizado por uma liberação de energia especial e muito grande. Um segundo lhe restará quando sua massa cair para 228 toneladas. O tamanho do horizonte de eventos neste momento será 340, ou seja, 3,4 × 10 ^-22 : este é o comprimento de onda de um fóton com uma energia que excede tudo o que foi obtido até agora no Large Hadron Collider. Mas, neste último segundo, serão liberados 2,05 × 10 ²² J de energia, o que equivale a 5 milhões de megatons de TNT. Como se um milhão de bombas nucleares explodissem simultaneamente em uma pequena área do espaço - este é o último estágio da radiação do buraco negro.


No processo de como um buraco negro seca em massa e raio, sua radiação Hawking se torna cada vez mais em temperatura e potência

Mas o que resta? Somente radiação de saída. Onde anteriormente havia uma singularidade no espaço em que a massa, bem como, possivelmente, a carga e o momento angular existiam em um volume infinitamente pequeno, agora não há nada. O espaço foi restaurado ao seu estado anterior, não singular, após um intervalo que parecia infinito: esse tempo é suficiente para que tudo o que aconteceu nele desde o início aconteça no universo, trilhões de trilhões de vezes. Quando isso acontecer pela primeira vez, não haverá mais estrelas ou fontes de luz no Universo, e não haverá ninguém que possa estar presente nessa terrível explosão. Mas não há "limite" para isso. BH deve evaporar completamente. E depois disso, até onde sabemos, não restará nada além da radiação emitida.


Contra o pano de fundo aparentemente eterno da escuridão constante, um único flash de luz aparecerá: a evaporação do último buraco negro no Universo

Em outras palavras, se você pudesse observar a evaporação da última BH no Universo, veria um espaço vazio no qual não há sinais de atividade por 10 ¹⁰⁰ anos ou mais. E de repente um incrível flash de radiação de um certo espectro e poder aparece, fugindo de um ponto no espaço a uma velocidade de 300.000 km / s. E esta será a última vez no universo observável, quando algum evento é lavado por sua radiação. Antes da evaporação do último BH, em linguagem poética, o Universo dirá pela última vez: “Haja luz!”

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

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