¿Qué es la radiación de Hawking?

Teoría del Agujero Negro y Radiación de Hawking

El tipo más simple de agujero negro, en el que el núcleo no gira y solo tiene una singularidad y un horizonte de eventos, se conoce como un agujero negro de Schwarzschild después del físico alemán Karl Schwarzschild, quien fue pionero en gran parte de la teoría muy temprana detrás de los agujeros negros en el Década de 1910, junto con Albert Einstein. En 1958, David Finkelstein publicó un artículo, basado en el trabajo de Einstein y Schwarzschild, que describe la idea de una “membrana unidireccional” que desencadenó un renovado interés en la teoría del agujero negro (aunque la frase en sí no fue acuñada hasta una conferencia de John Wheeler en 1967).

En 1963, el neozelandés Roy Kerr descubrió una solución a las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein que describía un objeto giratorio, y sugirió que cualquier cosa que colapsase finalmente se asentaría en un agujero negro giratorio. Gira porque la estrella de la que se formó estaba girando, y ahora se cree que esta es la forma más común en la naturaleza. Un agujero negro giratorio se abombaría hacia afuera cerca de su ecuador debido a su rotación (cuanto más rápido gira, más abultamiento).

Agujeros negros giratorios y no giratorios

(Fuente: Observatorio de rayos X Chandra: http://chandra.harvard.edu/
foto / 2003 / bhspin /)

A mediados de la década de 1960, el joven matemático inglés Roger Penrose se dedicó al estudio de los agujeros negros y, en 1965, demostró un importante teorema que mostraba que un colapso gravitacional de una gran estrella moribunda debe resultar en una singularidad, donde el espacio- el tiempo no puede continuar y la relatividad general clásica se rompe. Penrose y Wheeler continuaron demostrando que cualquier estrella no giratoria, por complicada que sea su forma inicial y su estructura interna, terminaría después del colapso gravitacional como un agujero negro perfectamente esférico, cuyo tamaño dependería únicamente de su masa.

A fines de la década de 1960, Penrose colaboró ​​con su amigo y colega de Cambridge, Stephen Hawking, en más investigaciones sobre el tema. Aplicaron un nuevo modelo matemático complejo derivado de la teoría de la relatividad general de Einstein, que condujo, en 1970, a la prueba de Hawking del primero de varios teoremas de singularidad. Tales teoremas proporcionaron un conjunto de condiciones suficientes para la existencia de una singularidad gravitacional en el espacio-tiempo, y mostraron que, lejos de ser curiosidades matemáticas que aparecen solo en casos especiales, las singularidades son en realidad una característica bastante genérica de la relatividad general.

Aunque puede parecer un objeto muy complejo, peculiar y quizás contraintuitivo, un agujero negro puede describirse esencialmente por solo tres cantidades: cuánta masa entró, qué tan rápido está girando (su momento angular) y su carga eléctrica. Esto llegó a conocerse como el “Teorema de sin pelo”, después del comentario de John Wheeler de que “los agujeros negros no tienen cabello”, por lo que quiso decir que cualquier otra información sobre el asunto que formó un agujero negro (para el cual “cabello” es un metáfora) permanece permanentemente inaccesible para los observadores externos dentro de su horizonte de eventos, y es casi irrelevante.

Brandon Carter y Stephen Hawking demostraron matemáticamente el Teorema del no cabello a principios de la década de 1970, demostrando que el tamaño y la forma de un agujero negro giratorio dependería solo de su masa y velocidad de rotación, y no de la naturaleza del cuerpo que colapsó. formarlo. También propusieron cuatro leyes de la mecánica de los agujeros negros, análogas a las leyes de la termodinámica, al relacionar la masa con la energía, el área con la entropía y la gravedad superficial con la temperatura.

Radiación de Hawking a medida que se crean pares de partículas cerca de un agujero negro

(Fuente: Universidad de St Andrews: http://www.st-andrews.ac.uk/~ulf …)

En 1974, Hawking conmocionó al mundo de la física al mostrar que los agujeros negros deberían crear y emitir partículas subatómicas, conocidas hoy como radiación de Hawking, hasta que agoten su energía y se evaporen por completo. Según esta teoría, los agujeros negros no son completamente negros, y tampoco duran para siempre.

Hawking mostró cómo el fuerte campo gravitacional alrededor de un agujero negro puede afectar la producción de pares coincidentes de partículas y antipartículas, como sucede todo el tiempo en un espacio aparentemente vacío de acuerdo con la teoría cuántica. Si las partículas se crean justo fuera del horizonte de eventos de un agujero negro, entonces es posible que el miembro positivo del par (digamos, un electrón) pueda escapar, observado como radiación térmica emitida por el agujero negro, mientras que la partícula negativa ( digamos, un positrón, con su energía negativa y masa negativa) puede volver a caer en el agujero negro, y de esta manera el agujero negro gradualmente perdería masa. Este fue quizás uno de los primeros ejemplos de una teoría que sintetizó, al menos en cierta medida, la mecánica cuántica y la relatividad general.

Sin embargo, un corolario de esto es la llamada “paradoja de la información” o “paradoja de Hawking”, por la cual la información física (que significa aproximadamente la identidad y las propiedades distintas de las partículas que entran en un agujero negro) parece estar completamente perdida en el universo , en contravención de las leyes aceptadas de la física (a veces denominada “ley de conservación de la información”). Hawking defendió vigorosamente esta paradoja contra los argumentos de Leonard Susskind y otros durante casi treinta años, hasta que retiró su reclamo en 2004, concediendo efectivamente la derrota a Susskind en lo que se conoció como la “guerra del agujero negro”. La última línea de razonamiento de Hawking es que la información de hecho está conservada, aunque quizás no en nuestro universo observable sino en otros universos paralelos en el multiverso en su conjunto.

Desafortunadamente, la solución propuesta por Susskind es aún más difícil y casi imposible de imaginar o explicar de una manera comprensible. Sugiere que, a medida que un objeto cae en un agujero negro, una copia de la información que lo compone está revuelta y untada en dos dimensiones alrededor del borde del agujero negro. Además, Susskind cree que ocurre un proceso similar en el universo en su conjunto, lo que plantea la idea bastante alarmante de que lo que consideramos una realidad tridimensional es, de hecho, algo así como una representación holográfica de una realidad “real”, que en realidad es contenido en dos dimensiones alrededor del borde del universo.

También es teóricamente posible que se hayan creado agujeros negros “primordiales” o “mini” en las condiciones durante los primeros momentos después del Big Bang, posiblemente en grandes cantidades. Sin embargo, nunca se han observado tales mini agujeros negros, de hecho, serían extremadamente difíciles de detectar, y siguen siendo en gran medida especulativos. De todos modos, es probable que todos, excepto el más grande, ya se hayan evaporado a medida que se escapan de la radiación de Hawking. Según la teoría de Hawking, la cantidad de masa perdida es mayor para los agujeros negros pequeños, por lo que los agujeros negros de tamaño cuántico se evaporarían en escalas de tiempo muy cortas. Pero se espera que tales mini agujeros negros puedan ser recreados experimentalmente en las condiciones extremas del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, lo que, entre otras cosas, otorgaría credibilidad muy necesaria a algunas de las predicciones teóricas actuales de la teoría de supercuerdas con respecto a gravedad.

La radiación de Hawking, también conocida como radiación de Hawking-Zel’dovich, es una radiación de cuerpo negro que se predice que será liberada por los agujeros negros, debido a los efectos cuánticos cerca del horizonte de eventos. Lleva el nombre del físico Stephen Hawking, quien proporcionó un argumento teórico para su existencia en 1974, y a veces también después de Jacob Bekenstein, quien predijo que los agujeros negros deberían tener una entropía finita.

El trabajo de Hawking siguió a su visita a Moscowin 1973, donde los científicos soviéticos Yakov Zeldovich y Alexei Starobinsky le mostraron que, de acuerdo con el principio de incertidumbre mecánica cuántica, el negro sin rotación debería crear y emitir partículas.

La radiación de Hawking reduce la masa y la energía de los agujeros negros y, por lo tanto, también se conoce como evaporación de agujeros negros . Debido a esto, se espera que los agujeros negros que no ganan masa por otros medios se encojan y finalmente desaparezcan. Se predice que los microagujeros negros son emisores de radiación más grandes que los agujeros negros más grandes y deberían encogerse y disiparse más rápido.

En junio de 2008, la NASA lanzó el telescopio espacial Fermi, que está buscando los destellos terminales de rayos gamma que se esperan de la evaporación de los agujeros negros primordiales. En el caso de que las teorías especulativas de grandes dimensiones adicionales sean correctas, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN puede crear micro agujeros negros y observar su evaporación.

En septiembre de 2010, se afirmó que una señal que está estrechamente relacionada con la radiación de Hawking del agujero negro (ver gravedad analógica) se observó en un experimento de laboratorio con pulsos ópticos de luz. Sin embargo, los resultados permanecen sin verificar

Se han lanzado otros proyectos para buscar esta radiación en el marco de la gravedad analógica.

De acuerdo, ya que has preguntado qué es “realmente” la radiación de Hawking, supongo que quieres una explicación física completa del proceso. La radiación de Hawking se puede entender de la siguiente manera: a menudo usamos la palabra “espacio vacío” en diferentes contextos en física, con lo cual nos referimos a la ausencia de materia y radiación (y por lo tanto, campos gravitacionales y electromagnéticos). Sin embargo, la física nos dice que, estrictamente hablando, lo que parece un espacio vacío no puede estar completamente vacío debido al hecho de que el valor de un campo y su tasa de cambio con el tiempo no pueden determinarse simultáneamente con absoluta precisión. El principio de incertidumbre implica que el cuanto más sabemos de uno de estos, menos sabemos el otro. Entonces, en el espacio vacío, el campo no puede ser exactamente cero, sino que debe haber lo que se llama “fluctuaciones cuánticas” en su valor. Estas fluctuaciones pueden considerarse pares de partículas-antipartículas que aparecen juntas, se separan, se juntan y se aniquilan entre sí. Por conservación de energía, uno de los socios de este par tiene una energía positiva y la otra energía negativa. El compañero de energía negativa está condenado a ser una partícula virtual de corta duración (“virtual” en el sentido de que no se pueden observar directamente con detectores de partículas). Las partículas reales, por otro lado, siempre tienen energía positiva en condiciones normales. Sin embargo, debido al campo gravitacional enormemente fuerte del agujero negro, incluso una partícula real puede tener una energía negativa en su vecindad y, por lo tanto, es posible que una partícula virtual con energía negativa que cae en un agujero negro se convierta en una partícula real o ¡antipartícula! Entonces ya no tiene que aniquilar a su compañero de energía positiva que, al tener energía positiva, puede escapar de la vecindad del agujero negro. Para un observador a distancia, parecen haber sido emitidos desde el agujero negro. Dado que estas partículas / antipartículas pueden ser fotones (cuantos de luz), tenemos, en esencia, la llamada “Radiación de Hawking”.
PD: He sacado esta respuesta de la “Breve historia del tiempo” de Stephen Hawking, que proporciona una explicación lúcida y elaborada de los fenómenos de radiación del agujero negro.

Primero obtengamos una visión general rápida de un agujero negro.

Un agujero negro es esa región en el espacio que es tan densa y tiene esa enorme fuerza gravitacional que incluso la luz no puede escapar a través de ella.

¡Un punto preciso del área de un agujero negro puede contener millones de toneladas de materia!

Para tener una idea clara de su enorme gravedad, piense que la velocidad de escape de la Tierra es de 11.2 km / s, pero para un agujero negro es de más de 300,000 km / s.

Pero, aquí viene un giro.

La “teoría de lo muy pequeño” dice que el espacio nunca está vacío. Siempre hay un pequeño conjunto de partículas: las antipartículas que chocan.

Estos pares de partículas y partículas se salen del vacío, recorren cierta distancia y luego se aniquilan entre sí.

La antipartícula tiene la misma magnitud de masa que la de su contraparte de partículas, pero su valor es negativo.

Stephen Hawking se preguntó qué sucederá si estas partículas se forman cerca del borde de un agujero negro.

Luego se dio cuenta de que la partícula (+ ve masa) tiene solo una fracción de energía suficiente que su antipartícula. La partícula escapará al espacio y aparecerá como radiación mientras que la antipartícula caerá en el agujero negro.

Como la antipartícula tiene masa negativa, reducirá la masa del agujero negro.

La radiación de Hawking es esa lluvia de partículas hacia el espacio.

Entonces, indirectamente, esta radiación da como resultado la reducción de la masa de un agujero negro.

A pesar de esta radiación, el agujero negro sigue siendo “negro”, ya que esta radiación no proviene directamente del agujero negro en sí, sino que es el resultado de partículas virtuales que son “impulsadas” por la gravitación del agujero negro para convertirse en partículas reales.

La radiación de Hawking es la radiación del cuerpo negro que emiten los agujeros negros. Es un resultado teórico bien establecido pero nunca se ha observado. Para todos los agujeros negros astrofísicos conocidos actualmente, será totalmente insignificante y nunca se observará. La razón de esto es que la temperatura equivalente del cuerpo negro es inversamente proporcional a la masa del agujero negro. Para todos los agujeros negros conocidos actualmente, la temperatura sería una pequeña fracción de un grado por encima del cero absoluto.

Sin embargo, si se creara un agujero negro microscópico en el LHC en el CERN, la radiación de Hawking será la forma en que se detectará. Dado que el agujero negro creado por el LHC tendrá una masa muy pequeña, su temperatura será muy alta. De hecho, la radiación hará que el agujero negro desaparezca en muy poco tiempo y los detectores del LHC detectarán la radiación de Hawking.

Espero que conozcas el concepto de ‘Escape Velocity’. Es la velocidad requerida para alejarse del tirón gravitacional de cualquier objeto. Ahora, para un agujero negro, la velocidad de escape resulta ser mayor que la velocidad de la luz, por lo que incluso la luz no puede escapar de un agujero negro. ¡Nada puede ir más rápido que la luz, por lo tanto, no se supone que los agujeros negros irradien clásicamente! Entonces, ¿de dónde viene la radiación?

Bueno, hay algo llamado “Event Horizon” de un agujero negro. Si estás justo fuera del horizonte de eventos, puedes escapar del tirón del agujero negro (en términos simples, ¡la velocidad de escape ya no es más que la velocidad de la luz)! Ahora, en la teoría del campo cuántico, existe este bonito concepto de que las partículas pueden crearse a partir del vacío y pueden aniquilarse entre sí muy pronto. De esa manera no viola ninguna ley de conservación.

Supongamos que tales dos partículas se crearon a partir del vacío exactamente en el horizonte de eventos, pero antes de que pudieran aniquilarse entre sí, una se mueve ligeramente fuera del horizonte de eventos mientras que la otra se mueve ligeramente hacia adentro y es absorbida por el agujero negro. ¡La partícula restante sale del agujero negro ahora y se llama ‘Radiación Hawking’! ¡Esto no se puede explicar de manera clásica!

Espero que esto haya ayudado.

Es una radiación hipotética de agujeros negros creada por efectos cuánticos. Es extremadamente débil, por lo tanto, es completamente inobservable hoy en comparación con la radiación de fondo. Además, la derivación de la radiación de Hawking es muy cuestionable, ya que se basa en el supuesto de que la aproximación semiclásica de la gravedad cuántica (que es todo lo que tenemos ahora) sigue siendo válida en regiones donde nadie espera que esta aproximación tenga sentido. Este es el problema trans-planckiano.

Lo que es incuestionable es que si el campo gravitacional cambia, esto también cambiará el estado de energía más bajo de todos los demás campos, por lo tanto, su estado inicial se transforma de “vacío” (el nombre para el estado de energía más bajo) a un estado con algo de partículas o algo de radiación. Entonces, durante el colapso gravitacional, que crea el agujero negro, esta radiación estará presente.

Entonces, si uno mira la solución GR, para el observador lejano, el colapso nunca se detiene. Lo que ve al mirar el agujero negro es la superficie de la estrella que se derrumba en el último momento antes de la creación del horizonte, solo extremadamente desplazada hacia el rojo, de modo que no ve, en realidad, nada. Pero la superficie que “ve” sigue siendo, en principio, una superficie colapsada, por lo tanto, tendría que tener el mismo efecto, la radiación de Hawking, todo el tiempo, e incluso con la misma temperatura.

Pero si uno, después de esto, extrapola lo que ha causado esta radiación, se encuentra que la frecuencia de esa radiación en la superficie tendría que ser astronómica, porque el desplazamiento al rojo se vuelve astronómico. Quienes aplican este tipo de razonamiento terminan con la hipótesis de un firewall.

Otros siguen la línea de razonamiento de que no puede existir un firewall de este tipo. En el momento del colapso en sí, no está claro que en ese punto en particular se cree un horizonte; esta es una propiedad global, es decir, que algunos rayos de luz emitidos localmente nunca alcanzarán el infinito. Pero esto no puede ser conocido localmente. Entonces, ¿cómo podría saber el firewall, localmente, que tiene que aparecer ahora?

Detrás de este conflicto están los problemas de cuantización de GR: el conflicto que la teoría cuántica presupone un tiempo absoluto, con conservación de energía absoluta, mientras que GR rechaza cualquier sistema preferido de coordenadas, cualquier fondo. Entonces, si comienza con un tiempo preferido y la ley de conservación de energía relacionada, termina con un firewall, si cree en la independencia de fondo de GR, nada como un firewall puede aparecer allí.

La radiación de Hawking es en realidad radiación del cuerpo negro que se encuentra en los agujeros negros. Fue descubierto por Stephen Hawking en 1974. Hay un espectro de cuerpo negro [planck] visto en agujeros negros. Entonces, según su teoría, los agujeros negros no son realmente negros, pero deberían irradiarse un poco debido a la radiación.

¡Oye! ¡Aquí hay un artículo que explica la radiación de Hawking de una manera simple pero más profunda!

Radiación de Hawking y evaporación del agujero negro

Hace un momento (¡un poco tarde, lo siento!) Publiqué una respuesta a ¿Por qué la radiación de Hawking hace que los agujeros negros se evaporen? ¡Vea esa respuesta, ya que se aplica igualmente bien a esta pregunta!

Hawking demostró que los efectos cuánticos permiten que los agujeros negros emitan radiación exacta del cuerpo negro. La radiación electromagnética se produce como si fuera emitida por un cuerpo negro con una temperatura inversamente proporcional a la masa del agujero negro.

La radiación de Hawking es la radiación del cuerpo negro que Stephen Hawking (1974) predijo que los agujeros negros liberarían, debido a los efectos cuánticos cerca del horizonte de eventos. Hoy se conoce como radiación de Hawking, que puede continuar hasta que agoten su energía y se evaporen.

Para más información: radiación de Hawking

Espero que este video te de la idea de la radiación de Hawking.