¿Cómo logra escapar alguna radiación de los agujeros negros cuando ni siquiera la luz puede escapar de su atracción?

Fuera del ” horizonte de eventos ” de un agujero negro, la velocidad de escape es menor que c (velocidad de la luz). La idea de Hawking (ver su famoso artículo de 1975, Particle Creation by Black Holes ) fue que, debido a los efectos gravitacionales cuánticos y extremos alrededor de un BH, los pares de partículas virtuales podrían separarse para que un miembro “caiga” en el BH y el otro escape, en forma de radiación térmica . Hawking conjetura que el miembro que cae en el BH de alguna manera adquirirá ” Masa Negativa ” (no explica cómo sucedería esto) lo que de alguna manera aumentaría la energía del compañero que se escapa para que sea “promovido” de virtual a real (no explique cómo sucedería esto), irradiando así una cantidad de energía (masa positiva ) correspondiente a las partículas que caen ” Energía negativa “, en consecuencia, el BH “perdería” esta cantidad de masa …

En teoría, las temperaturas BH son muy bajas (más masa BH = temperatura BH más baja). Por ejemplo, un BH con la masa de la luna de la Tierra (≈ 7.35E22 kg) tendría una temperatura de ≈ 1.7 K y un radio del horizonte de sucesos de ≈ 0.00011 m (!)) …

Esto pone un límite teórico para la hipotética radiación de Hawking, si es que existe, para que ocurra solo para BHs con una masa ≤ 4.5E22 kg (temp ≥ 2.73 K (temperatura de fondo de microondas cósmica ), y el radio de Schwarzschild ≤ 0.00007 m, llamado Micro Black Hole s (que nunca se han observado, directa o indirectamente). Con más masa, el BH absorbería la radiación CMB (el BH sería más frío que el CMB, y la segunda ley de la termodinámica prohíbe que el calor se irradie de frío a calor).

No es sorprendente que la radiación de Hawking tampoco se haya observado nunca: todos los candidatos actuales de BH son demasiado fríos para irradiar: en teoría, un BH de una masa solar (≈ 1.99E30 kg) tendría un radio de “Horizonte de eventos” de ≈ 3 km, y una temperatura de ≈ 0.000000062 K, ¡eso es diez mil millones de veces más frío que el CMB! – y hay algunos agujeros en los argumentos de Hawking: vea el artículo de Adam Helfer ¿Los agujeros negros irradian? (Véase también mi ensayo Cuestionando la radiación de Hawking ).

Para experimentar con las propiedades de BH para varias masas de BH, vea la Calculadora de radiación Hawking de Jim Wisniewski o descargue mi libro de Excel Propiedades del agujero negro .

Entiendo que la radiación de Hawking es ligeramente diferente de Eric Shull, pero no soy físico.

Cerca del horizonte de eventos de un espacio de agujero negro se dobla muy fuertemente. La inmensa densidad de energía allí puede dar lugar a la creación espontánea de pares de partículas: una partícula de materia y una partícula antimateria que viajan en direcciones opuestas. Una de las partículas desaparecerá en el agujero negro, la otra se escapará. Aunque la situación parece simétrica, Hawking describió cómo es un poco más probable que la partícula de materia se escape y la partícula de antimateria caiga en el agujero y aniquile una partícula de materia dentro del agujero negro.

Tenga en cuenta que la “masa del universo” no es una propiedad conservada: Einstein describió cómo la energía y la masa se pueden interconvertir utilizando su famosa ecuación E = mc2. Esto es lo que sucede en este escenario cuando las dos partículas se crean espontáneamente y cuando dos partículas se aniquilan dentro del agujero negro. La energía total del universo (incluida la “energía de masa”) se conserva en este proceso en todo momento.

La radiación no escapa de un agujero negro. Hay dos fenómenos que pueden hacer que parezca que la radiación está escapando: 1) radiación de rayos X y 2) radiación de Hawking.

Los agujeros negros irradian rayos X, que es como los astrónomos a menudo los detectan cuando no se pueden ver con luz visible. Sin embargo, la radiación de rayos X no sale del interior del agujero negro: está siendo irradiada por partículas que caen en el agujero negro. Por lo tanto, parece que el agujero negro irradia rayos X, pero en realidad son las partículas que rodean el agujero negro las que irradian los rayos X.

La segunda forma de radiación es la radiación de Hawking, que trata la antimateria y requiere algunos antecedentes. Creo que fue Feynman quien describió por primera vez las partículas de materia y antimateria como partículas individuales que viajan en diferentes direcciones a través del tiempo. Es decir, un electrón es una partícula que viaja hacia adelante en el tiempo, mientras que un positrón es un electrón que viaja hacia atrás en el tiempo. La aniquilación de materia / antimateria de la que a menudo se habla es (según este modelo) el punto en el que una partícula pasa de viajar hacia adelante en el tiempo a viajar hacia atrás en el tiempo y viceversa.

Con eso fuera del camino, la radiación de Hawking (según tengo entendido) describe el fenómeno en el que la materia puede escapar de un agujero negro viajando hacia atrás a través del tiempo. Cuando avanzamos en el tiempo, la gravedad es una fuerza atractiva; cuando retrocede en el tiempo, es una fuerza repulsiva, lo que significa que las partículas que viajan hacia atrás a través del tiempo pueden cruzar el horizonte de eventos y escapar del agujero negro (por supuesto, para nosotros parecería una antipartícula que viaja hacia adelante en el tiempo y cae en un negro agujero). Una vez fuera del horizonte de eventos, la partícula podría cambiar su dirección en el tiempo y convertirse en una partícula regular, algo que termina siendo detectada en la Tierra y da la apariencia de que un agujero negro está radiando y esta materia está escapando del agujero negro.

Hay más de la radiación de Hawking que esto, pero esa es la parte que corresponde a las partículas que escapan de un agujero negro.

No hay energía negativa y positiva … las partículas simplemente “toman prestada” la energía del vacío y se crean espontáneamente … deberían, un momento después, aniquilarse entre sí y devolver la energía al “vacío” del que surgieron …

Ahora … en el horizonte de eventos de un Agujero Negro … estos eventos ocurren … los pares de partículas-antipartículas se crean de la nada … y uno cae mientras el otro escapa. No se aniquilan entre sí … pero la energía que fue “prestada” debe devolverse … ya que la partícula que escapó tiene masa … se dice que la energía se toma de la masa del agujero negro, reduciendo así su tamaño … y así sucesivamente … hasta que se evapore … Esta es la hipótesis preferida actual.

Ahora … tengo que mirar más lejos en cuanto al hecho de que, la partícula que escapa del agujero negro, si es una antipartícula, aniquila la materia normal y devuelve la energía una vez prestada … En este caso … la masa del agujero negro habría aumentado … sin embargo … este parece no ser el caso …

Tenga en cuenta que se dice que el Universo es el resultado de una fluctuación cuántica …

Vea Fluctuación cuántica para ver que la conservación de energía se viola por un momento … antes de que todo se restablezca después de la aniquilación del par.

Por definición, un agujero negro es un objeto para el cual la velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz. Y la razón de tal alta velocidad de escape es la alta concentración de masa en un espacio pequeño.

Debido a esta alta concentración de masa, se crea un límite más allá del cual la velocidad de escape es mayor que la velocidad de la luz y ni siquiera la luz puede escapar de este límite. Este límite se conoce como horizonte de eventos y, por supuesto, lo he simplificado demasiado.
Cuando una estrella se aproxima al horizonte de eventos debido a la alta presión, la temperatura de los gases alcanza millones de grados Celsius y comienzan a emitir rayos X antes de que un agujero negro trague todo el objeto. Esta emisión de rayos X en el horizonte de eventos se conoce como radiación de Hawking.

Esta alta concentración de masa afecta al objeto a su alrededor como el sol afecta a la Tierra y al medir el efecto sobre la masa del objeto exterior del centro se puede encontrar.

Entonces, al fundar una fuente que emite una gran cantidad de rayos X y luego al confirmarla calculando la masa de esta fuente al observar cerca de un objeto, se confirma un agujero negro.

Cygnus X-1 (primer candidato para agujero negro)
Lista de agujeros negros

Los agujeros negros tienen una entropía: es de esperar que tengan un gran número W de microestados internos ya que la información no se pierde a medida que crecen; deben tener entropía, S, según la fórmula de Boltzmann S = k ln W. Esta entropía aumentaría con la energía del agujero negro, E. Luego, por dE = T dS (primera ley de la termodinámica) debe tener una temperatura absoluta, T. Finalmente , según la ley de Stefan-Boltzmann, todos los objetos calientes irradian energía. Los agujeros negros Ergo emiten radiación y se evaporan.

La única forma de evitar esta conclusión sería asumir que la entropía de un agujero negro es infinita. Clásicamente esto es posible, pero el advenimiento de la mecánica cuántica hace que las entropías infinitas sean muy improbables.

Editar: Para ser claros, estoy hablando de la radiación que escapa del interior del horizonte de eventos, no de la radiación de ningún disco de acreción, como los quásares de potencia, que algunas de las otras respuestas han cubierto. Clásicamente, tal radiación de Hawking desde el horizonte de eventos es imposible, pero con la mecánica cuántica el horizonte de eventos se vuelve borroso. Y el agujero negro se evapora lentamente, perdiendo energía y masa, por lo que la radiación debe provenir del interior del agujero negro.

El objeto que emite luz en el artículo al que se vinculó (los astrónomos encuentran un agujero negro sorprendentemente antiguo del tamaño de 12 mil millones de soles) no es el agujero negro, es un quásar alrededor del agujero negro. Cuando la materia cae en el agujero negro, la fricción hace que se caliente y emita luz.

Una afirmación más precisa es que toda la materia que se introduce en el agujero negro se comprime por la intensa gravedad y se calienta, lo que provoca la emisión de radiación electromagnética. Este proceso es tan eficiente que hasta la mitad de la masa de la materia entrante puede convertirse en energía (en comparación con menos del 1% dentro de las estrellas, por ejemplo).

Además, tenga en cuenta que esto no tiene nada que ver con la radiación de Hawking.

Los agujeros negros en sí mismos no brillan. Sin embargo, la acumulación de materia que cae crea un disco de acreción. El disco de acreción se calienta a temperaturas realmente altas, haciendo que la materia brille. Es por eso que ves un “brillo”, no del agujero negro en sí, sino de la materia que cae. Los agujeros negros también pueden expulsar la materia en forma de chorros. Esto, combinado con el brillante disco de acreción, crea un cuásar, que es el objeto más brillante del universo.

Nada puede escapar de un agujero negro, ni siquiera los rayos X. Estos rayos X de alta energía no se emiten realmente desde el agujero negro. En cambio, los materiales de estos materiales compactos y densos están sujetos a fuertes fuerzas gravitacionales . Básicamente, la turbulencia y la fricción produjeron calor del material a millones de grados produciendo emisiones de rayos X extremadamente fuertes. No podemos hacer agujeros negros directamente ya que ni siquiera la luz puede escapar de ellos, pero estos rayos X nos proporcionan una evidencia de su existencia, ya que nada puede crear una cantidad tan enorme de energía.

No estoy muy contento con la explicación del par de partículas-antipartículas (esto debería crear un espectro dependiendo de las masas de las partículas no auto-duales disponibles, no de un cuerpo negro). El núcleo del problema es otra cosa: el vacío no es invariable con respecto a la aceleración, solo con respecto a las transformaciones de Poincaré. Eso significa que los observadores en reposo y los que se mueven libremente (en el espacio-tiempo plano) siempre medirán la misma cantidad de fotones (u otras partículas), pero los observadores acelerados detectarán partículas ( http://en.wikipedia.org/wiki/Unr … ) cuando no hay ninguno para los observadores en reposo. Esto puede tratarse formalmente realizando una rotación de Bogolyubov ( http://en.wikipedia.org/wiki/Bog …) entre las bases de los observadores del espacio de Hilbert para los campos cuánticos. Resulta que cada horizonte de Rindler (ver http://en.wikipedia.org/wiki/Rin …) parece emitir radiación, y dado que el espacio-tiempo muy cerca del horizonte de Schwarzschild parece localmente parecido a Rindler, también irradia.

El hecho de que emitan radiación contradice la idea misma de que retengan toda su densidad, con una hipótesis planteada por algunos dentro de la comunidad científica.

Entonces, o la idea de una singularidad es completamente errónea. Que estoy de acuerdo. O estamos tratando con física que está más allá de nuestra comprensión actual.

La idea misma de una singularidad me parece ridícula. Siempre lo ha hecho. Porque en un universo finito, y todas las pruebas apuntan a que es finito … No debería ser capaz de producir nada con la palabra ‘infinito’ en él. Densidad infinita, energía infinita … La gente realmente debería dejar de usar esa palabra.

Pero ese no es realmente el punto aquí. El punto es que si todo lo que cae en el horizonte de eventos de un agujero negro no puede escapar, entonces, ¿cómo es que un agujero negro emite radiación?

La excepción que mencioné anteriormente es que algunos han especulado que esa radiación (la radiación de los Hawkings) no está siendo emitida realmente por el agujero negro, sino por el borde del horizonte de eventos. Que ciertas partículas subatómicas cuando se acercan lo suficiente al horizonte de eventos se aceleran pero nunca caen en el agujero negro, y en una especie de efecto de bucle, se emiten hacia el exterior en el espacio exterior. El problema es que no podemos probarlo. Cualquiera de eso. No por ahora al menos.

Incluso si no hay un disco de acreción (cosas cercanas al horizonte golpeadas por el tormento radiactivo por las otras cosas que caen) se entiende que los horizontes BH parecen ser lugares de donde emerge la luz. La narrativa lógica es la siguiente: la luz es campos dependientes del tiempo (que tienen una dependencia del tiempo, por ejemplo, en el caso del disco de acreción, desde el golpeteo) hechos por cosas en movimiento. El BH nos parece estático afuera, PERO por dentro está en un estado de caída … un estado dependiente del tiempo … que dura esencialmente para siempre como ‘visto’ desde afuera. La Mecánica Cuántica nos dice que esta dependencia del tiempo en el interior causa cuantos (es decir, luz) que es demasiado grande, en cuanto a longitud de onda, para caber en el agujero para ser sacudido del BH, al igual que se despega de los campos dependientes del tiempo en ese caso de las cosas infallos golpeando en un disco de acreción. Por lo tanto, incluso un agujero que no tiene nada que caiga y se vea estático en realidad no es cuántico estático y irradia luz sobre la longitud de onda del agujero (que, por supuesto, también tiene un período que es la escala de tiempo de caída como se ve desde adentro el BH)

Bueno, esta narración puede parecer ordenada, pero no lo es … nosotros (los físicos) todavía no estamos seguros de algunos aspectos más sutiles de este proceso. Más que decir … no aquí …

Las regiones de alta gravedad acortan la longitud y aumentan el tiempo desde el punto de vista del mundo “exterior” de baja gravedad, por lo que 3E8 metros por segundo se cambiaron a 0 metros por segundo, si gira la relatividad para mantenerla lógicamente consistente y exigir que todos los fotones retengan la misma energía y que es c la que realmente cambia, no la duración, el tiempo o la energía. La respuesta es sí a menos que desee utilizar la visión normal de la relatividad. Usando la visión normal de la relatividad, la respuesta es “¿Huh? Deja eso. Me estás lastimando el cerebro”.

Debido al principio de incertidumbre que establece:

[matemáticas] \ Delta E \ Delta t \ simeq \ hbar [/ matemáticas]

Las fluctuaciones cuánticas provocan la aparición de pares de partículas-antipartículas y se aniquilan inmediatamente después en muy poco tiempo. Por ejemplo, dos fotones con cuatro ímpetu [matemática] (\ Delta E, \ Delta E \ vec {n}) [/ matemática] y [matemática] (- \ Delta E, – \ Delta E \ vec {n}) [/ math] (conservación del momento). El segundo tiene energía negativa, viola la causalidad y tiene que recombinarse en un tiempo inferior a [math] \ Delta t [/ math]. Pero si en ese momento cruza el horizonte de sucesos se vuelve real (debido a la definición del horizonte de sucesos en la métrica de Schwarzschild) y el primer fotón se escapa, como si el agujero negro acabara de irradiarlo. Entonces no es que realmente salga del agujero negro.

En otro modelo, en realidad se escapa, nuevamente, debido al principio de incertidumbre. Si ocurre el mismo proceso dentro del horizonte de eventos, las fluctuaciones cuánticas pueden hacer que un fotón salga del horizonte de eventos debido al efecto de túnel cuántico.

Estás comparando velocidad y fuerza. En el mejor de los casos, eso evitará que comprenda la dinámica. En el peor de los casos, te confundirá continuamente.

La gravedad de un agujero negro deforma el espacio-tiempo desde la perspectiva de un observador tanto que parece que el tiempo se detiene en el horizonte de eventos. Lo que realmente ocurre en el horizonte de sucesos es que el tiempo pasa normalmente: un fotón aún viaja a la velocidad de la luz, pero la medida del tiempo se ha deformado.

La luz más allá del horizonte de eventos no puede escapar, pero sería erróneo mantener que es solo el efecto de la gravedad sin reconocer que la gravedad deforma el tiempo, lo que a su vez evita que llegue a los ojos de un observador de manera oportuna.

Espero que ayude 🙂

Los dos polos magnéticos de los agujeros negros centrales le dan a los fotones de alta energía un empuje adicional que les permite escapar del control de la fuerza gravitacional extrema para ser expulsado lejos y sabio al espacio.

Los agujeros negros centrales en el centro de las galaxias son los agujeros negros que alcanzaron la materia de estado de masa: transformación de materia de estado de energía congregación de masa a escala crítica de masa. Su tamaño es bastante estable porque existen mecanismos naturales de refuerzo positivo y de restricción negativa que regulan el tamaño y la función de los agujeros negros centrales de forma espontánea, de lo contrario, cuanto mayor sea el tamaño, más fuerte será la fuerza gravitacional y requerirá más materia para construir su tamaño. conducirá a un desequilibrio fundamental – equilibrio gravitacional: muerte gravitacional.

No te preocupes, eso nunca sucederá. Las leyes de la naturaleza nunca permiten que eso suceda.

Pero, ¿qué pasa si la masa no puede alcanzar la materia de estado de masa – transformación de materia de estado de energía congregación de masa a escala crítica de masa?

Si eso sucede, la materia de estado de masa bloqueada por energía nunca se transformará en energía de movimiento libre en materia de estado de energía; y por lo tanto, la energía en el universo se disipará para alcanzar finalmente el equilibrio termodinámico: muerte por calor.

No te preocupes, eso nunca sucederá tampoco. Las leyes de la naturaleza nunca permiten que eso suceda.

¿Feliz ahora?

Sin embargo, debo mencionar: en cualquier espacio y tiempo local, el valor real: la entropía negativa termodinámica está limitada en la cantidad disponible y el lapso de tiempo. Necesitamos un plan planeado y eficiente para permitirnos evolucionar en miles de millones de años al nivel de pensamiento y biológico para acceder y hacer uso del valor real que el universo proporciona y sobrevive al futuro perpetuo.

El único convertidor de entropía termodinámica son los agujeros negros centrales que salvan al universo de la muerte por calor y la muerte gravitacional.

Pero solo la vida inteligente que alcanzó el nivel de pensamiento racional puede funcionar como convertidor de entropía de información. Utilizan la entropía negativa termodinámica para convertirla en entropía negativa de información de manera eficiente. Solo si lo hacemos bien, podemos pasar el umbral de selección natural diseñado por la naturaleza para alcanzar el futuro perpetuo.

Dicho correctamente, la velocidad de escape en el horizonte de eventos de un agujero negro es exactamente la velocidad de la luz en el vacío (c). Dado que nada conocido viaja más rápido que c, no hay información aparte del cálculo de la masa bruta disponible desde el interior de los agujeros negros, lo que da lugar a su nombre.

Esos chorros no se emiten desde el agujero negro y se emiten desde fuera del agujero negro, principalmente desde el disco de acreción que rodea el agujero negro. A medida que la masa cae en el agujero negro, la gran cantidad de energía potencial gravitacional se convierte en radiación emitida por la masa que cae antes de ser absorbida por el agujero negro.

Un agujero negro tiene lo que se llama un ‘horizonte de eventos’. Ese es el punto donde la gravedad es demasiado fuerte para que la luz escape.

Ahora en el espacio, las partículas aleatorias comienzan a existir por una fracción de minuto de segundo. Nace ‘de la nada’ solo para aniquilarse con su antipartícula, que también surgió. Entonces todo se equilibra. Pero en el horizonte de sucesos de un agujero negro, podría suceder que el par de partículas entre en existencia con la trayectoria de una partícula conduciendo directamente al horizonte de sucesos (de donde posteriormente no puede escapar, y la trayectoria de la otra partícula llevándola hacia afuera, lejos de el horizonte de sucesos. Por lo tanto, no pueden aniquilarse, y desde el punto de vista de un extraño parecería que el agujero negro está constantemente “irradiando” una corriente constante, aunque muy débil, de partículas. Sin embargo, la fuente de las partículas no es ” t el agujero negro per se, pero la región del espacio toca el horizonte de eventos y esa radiación percibida se llama “Radiación Hawking”.