Cualquier objeto opaco que emite radiación térmica se conoce como cuerpo negro. Un cuerpo negro perfecto es un objeto que absorbe toda la radiación entrante y no refleja ninguno. Tal objeto parecería ser negro, de ahí el nombre. Pero cuando dicho cuerpo negro se calienta, comenzará a emitir radiación térmica. De hecho, todos los objetos emiten radiación térmica en cierta medida, siempre que su temperatura esté por encima del cero absoluto. Algunos objetos son mejores para emitir / absorber ciertas longitudes de onda de luz que otros. Estas eficiencias desiguales dificultan el estudio de la interacción de la luz, el calor y la materia utilizando objetos normales.
Los agujeros negros son cuerpos negros casi perfectos, en el sentido de que absorben toda la radiación que cae sobre ellos. Se ha propuesto que los agujeros negros pueden emitir radiación de cuerpo negro con una temperatura que depende de la masa del agujero negro. (La ley de Stefan-Boltzmann describe el poder irradiado desde un cuerpo negro en términos de su temperatura). La radiación no se origina más allá del horizonte de eventos, sino que es una consecuencia de la interacción del campo gravitatorio fuerte fuera del horizonte con el vacío.
El proceso por el cual los agujeros negros se ‘evaporan’ se llama radiación de Hawking , o, a veces, radiación de Bekenstein-Hawking . En 1972, un físico teórico estadounidense Jacob Bekenstein (1947-2015) introdujo una idea que indica que los agujeros negros deben tener una temperatura finita y entropía. Dos años después, el reconocido físico Stephen Hawking formuló una teoría completa que describe la radiación del cuerpo negro en los agujeros negros.
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Una producción continua de pares de partículas-partículas “virtuales” se produce en el espacio debido a fluctuaciones en la energía. ( El cambio temporal en la cantidad de energía en un punto en el espacio, como se explica en el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg, permite la creación de pares de partículas virtuales de partículas antipartículas) . ** Normalmente, dicho par se aniquilará, por lo que estas partículas se denominan “virtuales”. Cuando tales pares se forman cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, son separados por las fuerzas de gravedad de las mareas. A veces, un miembro de un par cruza el horizonte y ya no puede recombinarse con su par, que luego puede escapar al espacio, y dado que transporta energía positiva, la energía (y, por lo tanto, la masa) del agujero negro debe disminuir. Esto es lo que se conoce como radiación de Hawking.
Puede preguntar: ¿cómo puede caer la antipartícula negativa en el agujero negro? Bueno, cuando se crea un par virtual de partículas-antipartículas en el espacio, la energía total siempre será cero, una de las partículas con energía positiva y la otra con energía negativa. Las partículas de energía negativa están clásicamente prohibidas, pero mientras el par virtual se aniquile entre sí, el principio de incertidumbre permite tales fluctuaciones. Bueno, el par de partículas virtuales están ‘enredadas’ de tal manera que es imposible distinguirlas. El enredo surge en situaciones en las que tenemos un conocimiento parcial del estado de dos sistemas. Este sistema enredado puede interactuar con el agujero negro y separarse, y la interacción garantiza que la partícula emergente será la positiva. En otras palabras, cualquiera que sea la partícula que cae, tiene energía negativa en relación con un observador externo.
Por otra parte, típicamente, la mayor parte de la radiación de Hawking estaría hecha solo de fotones. Los fotones no tienen antifotones, por lo que podemos decir que son su propia antipartícula. Un fotón de energía negativa significa que un estado de átomo excitado, al absorber este fotón de energía negativa, en lugar de la emisión estimulada, colapsaría de nuevo al nivel del suelo.
Explicado de otra manera por algunos investigadores, imagine que tiene dos pares de partículas y antipartículas justo fuera del horizonte de eventos: para el par uno, la antipartícula cae y la partícula escapa, mientras que para el par dos, la partícula cae y la antipartícula escapa. La partícula que escapa del par uno y la antipartícula del par dos interactúan, produciendo dos fotones (que es lo que necesita para conservar tanto la energía como el impulso), que pueden escapar como la radiación de Hawking con energía real y positiva. La energía se está liberando en el Universo en el horizonte de eventos del agujero negro, pero la energía no se puede crear ni destruir, por lo tanto, el agujero negro en sí proporciona la masa que suministra la energía para liberar estos fotones.
De cualquier manera, con el tiempo, hay una disminución gradual en la masa del agujero negro. Esto a su vez hará que el tamaño de un agujero negro disminuya gradualmente. Con la disminución del tamaño, la temperatura del agujero negro aumenta hasta tal punto que el agujero negro finalmente desaparece en un estallido extremo de radiación gamma, que a veces incluye todo tipo de partículas energéticas. Esto marca el final del agujero negro. (La temperatura de un agujero negro grande es más baja que la de un agujero negro pequeño porque la curvatura en el horizonte de eventos disminuye con el radio. Es la curvatura la que determina la temperatura; más curvatura significa temperatura más alta).
El año pasado, un físico en Israel realizó un experimento de laboratorio que pudo haber producido radiación de Hawking, pero aún no se ha detectado en el espacio.
Otra teoría es que la temperatura de un agujero negro es inversamente proporcional a la masa, mientras que la “luminosidad” (cantidad total de energía emitida) es inversamente proporcional al cuadrado de la masa. Entonces, cuanto más masivo es el agujero negro, más baja es su temperatura. Los agujeros negros más grandes son más fríos y más tenues. Los agujeros negros tienen masas que van desde el tamaño estelar de unas pocas masas solares, hasta agujeros negros supermasivos en los núcleos de las galaxias, como el agujero negro de 4 millones de masas solares en el centro de la galaxia de la Vía Láctea. La temperatura de tales agujeros negros es extremadamente baja, acercándose a cero grados Kelvin. Los agujeros negros son geniales . Un agujero negro de masa solar podría tener una temperatura de solo .0.00000006 Kelvin. Los agujeros negros supermasivos con millones de veces la masa del Sol tendrán una temperatura de 1.4 x 10 ^ 14 Kelvin, casi cero absoluto.
En algún momento lejano en el futuro, la temperatura de fondo del universo (radiación cósmica de fondo de microondas de 2.7K en la actualidad) será más fría que los agujeros negros más fríos. Cuando esto sucede, los agujeros negros irradiarán calor lentamente, convirtiendo su masa en energía. Entonces, durante una cantidad de tiempo incomprensible, incluso los objetos vivos más largos del Universo, los poderosos agujeros negros, se desvanecerán en energía.
Un punto importante a tener en cuenta es que esto no funciona en la dirección opuesta: no podemos hacer que la partícula de energía positiva cruce el horizonte y deje afuera la partícula de energía negativa, ya que una partícula de energía negativa no puede continuar existir fuera del horizonte. En otras palabras, el agujero negro puede perder energía debido a las fluctuaciones del vacío, pero no puede ganar energía.
Sin embargo, el tiempo que tarda un agujero negro en evaporarse puede ser extremadamente largo, dependiendo de su tamaño. Los agujeros negros más pequeños se evaporan más rápido que los agujeros negros más grandes. Por ejemplo, los agujeros negros microscópicos se evaporarían en fracciones de segundos, pero se estima que un agujero negro con la masa de nuestro Sol tardaría 10 ^ 50 años o más en evaporarse. Para los supermasivos en los núcleos de las galaxias, estás viendo 10 ^ 100 años y más. Esto claramente hace imposible la detección de la radiación de Hawking en el espacio. Esta radiación sería significativa solo para agujeros negros muy pequeños.
¿Evaporando agujeros negros?
