¿Por qué la radiación de Hawking causa una disminución neta en la masa del agujero negro?

Probablemente sea importante comenzar a darse cuenta de que Hawking no reduce actualmente la masa de los agujeros negros que conocemos. La razón es que la radiación de Hawking es efectivamente el resultado de la dinámica térmica. El espacio que rodea el horizonte de eventos de un agujero negro debe ser más caliente que el resto del universo, para que el agujero negro pierda masa. Actualmente, este no es el caso de ningún agujero negro estelar o súper masivo. Los lugares más fríos en el universo en los que puedes estar, están justo al lado de un horizonte de eventos.

Sin embargo, el universo se está enfriando. Eventualmente, en un futuro lejano, encontrará que el espacio es más cálido cerca de un agujero negro que en cualquier otro lugar. Luego, como cualquier otro cuerpo negro, el agujero negro irradiará energía. Esa energía tendrá que venir de alguna parte, y ese es el agujero negro en sí.

En cuanto al proceso real, ¿cómo puede el espacio irradiar energía? Ahí es donde Hawking utilizó una propiedad muy única de los agujeros negros. En cualquier parte del espacio, constantemente tenemos materia y antimateria que aparecen y desaparecen rápidamente. Lo hace de una manera que sigue perfectamente las leyes de conservación, EN PROMEDIO. Entonces, por ejemplo, es posible que aparezca un electrón y un positrón de repente con un momento exactamente opuesto. A su vez, proceden a chocar entre sí. Normalmente eso produciría dos rayos gamma. Pero en este caso, dado que no hay energía neta, los dos rayos gamma son virtuales y no tienen energía neta que les permita propagarse. Entonces nunca se sabe que el electrón y el positrón fueron creados.

Pero aquí está la cosa, si uno de esos cae más allá del horizonte de eventos, nunca puede reunirse con el otro para aniquilar. Entonces, cualquier energía que logre escapar con una partícula, la otra partícula necesita transportar la cantidad de energía negativa exacta para compensar …

Para calcular cuánta energía se pierde del agujero negro, debe usar las leyes de la dinámica térmica para promediar todas las posibilidades. Descubrirá que si el espacio que rodea el agujero negro es más caliente que el resto del universo, el agujero negro terminará perdiendo una cantidad neta de energía, de lo contrario, ganará energía del espacio irradiado hacia el agujero negro. Como tal, el resultado de la radiación de Hawking es que todos los agujeros negros creados por colapsos estelares ganan masa. Eventualmente, sin embargo, los agujeros negros comenzarán a perder masa por el mismo proceso.

Las partículas tienen la misma masa que sus antipartículas. Después de que el par partícula-antipartícula se crea justo fuera del horizonte de eventos, una partícula del par escapa mientras que la otra cae en el agujero negro. Debido a que el par se creó a partir de la energía gravitacional del agujero negro, para empezar, esta es una disminución neta en la energía del agujero negro y, por lo tanto, en su masa.

Tampoco estoy completamente seguro de este punto; Esto es molesto, porque he visto esta pregunta formulada de una forma u otra muchas veces, pero no se ha dado una respuesta satisfactoria. Esto puede deberse a la naturaleza técnica de proporcionar una respuesta satisfactoria. Proporcionaré mi comprensión actual (limitada) con la esperanza de que un físico pueda corregirme o proporcionar una respuesta más sustancial.

Los pares virtuales de partículas-antipartículas aparecen a lo largo del horizonte de eventos de un agujero negro. Gracias a la fuerte energía gravitacional del agujero negro, estas partículas se convierten en partículas reales (o son “impulsadas”, un término que técnicamente no puedo definir). Uno entra en el agujero negro, el otro escapa. El agujero negro pierde masa no porque una partícula tenga masa anti-masa o masa negativa, sino porque el agujero negro está perdiendo energía como un sistema debido a la energía prestada del campo gravitacional que luego escapa (en forma de una de las partículas o antipartículas que se irradian). No importa qué partícula se escape. Si uno de los pares lo hace, entonces se pierde energía y, por lo tanto, se pierde masa.

Podría tener todo esto mal. Estaré encantado de eliminar esta respuesta si / cuando un experto pueda responderla satisfactoriamente.

Muchos han señalado la respuesta consensuada: si la masa se escapara del agujero negro, debe estar perdiendo energía / masa, pero luego pregunto:

Desde un punto de vista dentro del agujero negro, verás que la energía se dispersa desde el espacio exterior -nuestro universo- hacia el agujero negro, por lo que dirán: “Mira, el universo externo está irradiando algo de energía, por lo que debe estar perdiendo su masa, y después de mucho, mucho tiempo, se evaporará ”.

¿Ambos se están evaporando o ninguno de ellos? ¿Por qué el agujero negro debería perder masa si está recibiendo una nueva partícula dentro? ¿Y por qué no se puede aplicar lo mismo al exterior?

Normalmente se cancelan, excepto que una de las dos partículas es absorbida por el agujero negro, mientras que la otra es expulsada al espacio. La materia absorbida por el agujero negro luego se aniquila con la materia ya existente, mientras que el medio par sin igual continúa su camino, muy fuera del agujero negro.

La diferencia es su posicionamiento en el espacio. Uno está fuera del Evento Horion, el otro está dentro. Esta ligera diferencia hace toda la diferencia cuando se trata de erradicar los agujeros negros.

En condiciones normales de espacio, se cancelarían. Pero en el punto mismo del horizonte de sucesos donde la gravedad es demasiado fuerte para una partícula pero no la otra caerá en el pozo de gravedad, la otra será expulsada. Por lo tanto, hay una disminución en la masa.

Se cancelarían, si pudieran. Pero la naturaleza de la radiación de Hawking es que se separan por el horizonte de eventos. Uno vuelve a caer, pero el otro escapa para formar la radiación. Y eso representa una pérdida de materia / energía para el agujero negro, que en consecuencia se reduce.

Tienen que volver a colisionar para cancelar. Si no, entonces tenemos dos partículas ahora en existencia (una en el agujero negro, la otra en el espacio interestelar). Para compensar eso, el agujero negro debe liberar una cantidad muy pequeña de radiación (de acuerdo con la física básica).

Los pares de partículas formados en el horizonte de sucesos son materia y antimateria en forma de un átomo cada uno. Pero, un átomo está dentro del horizonte, y es absorbido por el agujero negro. El otro átomo se va volando. Por eso la masa disminuye.

Nota:

Preguntar por qué un agujero negro se vaporizará incluso si absorbe cosas es como preguntar por qué morirás al comer una manzana al año.

Hacer esta pregunta es como preguntar por qué sin precipitaciones el océano finalmente se secará.

porque uno de los pares cae pasa el horizonte de eventos y el otro escapa. Eso rompería la ley de conservación, por lo que para preservar esto, el agujero negro pierde masa.