¿Qué sucede cuando la luz cae en un agujero negro?

Las respuestas contraídas por Quora User y Anand Babu Periasamy son básicamente correctas. No me gusta la descripción de “succión” o la noción de que la luz está siendo “forzada” en el agujero negro debido a su gravedad. Estos no son realmente incorrectos, pero las fuerzas son una noción no relativista y no son una descripción de partículas sin masa (como el fotón).

Entonces agregaré un poco más de detalles técnicos. He adjuntado dos diagramas de Penrose para agujeros negros (una buena pregunta de Quora). El tiempo avanza hacia arriba y la dirección radial es la dirección horizontal.

La primera es una imagen simplificada de la formación de un agujero negro permanente (uno que no experimenta la radiación de Hawking) [1].

La Región I está fuera del horizonte de eventos de un agujero negro, mientras que la Región II está dentro del horizonte de eventos del agujero negro. Si está sentado quieto en relación con el agujero negro, está viajando hacia arriba. Mientras que si viaja a la velocidad más rápida posible (la velocidad de la luz), viaja a un ángulo de 45 ‘. Tenga en cuenta que cuando se encuentra en la Región II, siempre que viaje más lento que la velocidad de la luz, no puede salir de la región 2 y, finalmente, golpear la línea ondulada etiquetada como “singularidad”, donde su maravilloso viaje termina cuando lo destrozan Las fuerzas de marea de la gravedad.

Superpuse una línea roja que representa el camino de un fotón a medida que avanza hacia el agujero negro. La luz simplemente golpea la singularidad. El fotón / luz se absorbe en el agujero negro, y la masa del agujero negro aumenta de acuerdo con la conservación de la energía:
[matemáticas] m _ {\ text {BH después}} = m _ {\ text {BH antes}} + E _ {\ gamma} / c ^ 2 [/ math].

El segundo es para un agujero negro “real” que se forma cuando una capa de materia colapsa y luego se evapora a través de la radiación de Hawking [2].
La imagen es más complicada, pero cualitativamente es la misma.

La razón por la que incluyo el segundo es porque se incluye la radiación de Hawking. La radiación de un agujero negro aparece en la Región II de este diagrama y es bastante distinta del fotón mismo que cae en [3].

[1] Un diagrama de Penrose es un poco peculiar porque su propósito es no expresar explícitamente distancias, sino mostrar la estructura causal del espacio-tiempo que comprime distancias infinitas hasta una distancia finita. Las líneas de 45 ‘representan el camino que toma la luz. El borde izquierdo es r = 0 y los bordes derechos son r = infinito (llamados Scri-plus y Scri-minus para infinito pasado e infinito futuro).

[2] Observe que los dos diagramas son bastante diferentes, lo que indica cuán distinta es la evaporación de un agujero negro de uno que permanece para siempre. Ver: ¿en qué se diferencia un diagrama de Penrose de un agujero negro que se forma a partir de un colapso esférico simétrico de un diagrama de Penrose de un eterno agujero negro de Schwarzschild?

[3] La radiación de Hawking tampoco tiene que ser fotones, puede ser neutrinos, electrones, gravitones, protones, neutrones, cualquier cosa. La composición de lo que sale depende únicamente de la temperatura del agujero negro. Si la temperatura del agujero negro es muy fría, solo se irradian fotones, pero la temperatura aumenta al final de su vida útil (alrededor del punto P) y comienza a emitir muchos tipos diferentes de partículas.

El diagrama de Penrose no muestra la trayectoria de un fotón a medida que se acerca al BH, parte de lo que la pregunta original sugiere (para mí). Ciertamente, como lo demuestra la lente gravitacional, las trayectorias de los fotones cambian, aunque la relatividad general no lo vea de esa manera. Debería haber un diagrama que muestre un ángulo crítico, en función de la masa de BH, dentro del cual la trayectoria de un fotón se desviará hacia el BH. Para mi mente newtoniana simple, esto también introduce el ángulo de acercamiento a la superficie BH (lo sé, ‘horizonte de eventos’) en relación con una ‘vertical’ local.

La existencia de los agujeros negros aún no se ha demostrado, pero su existencia es comúnmente aceptada entre las personas. Sin embargo, aún más teórica es la existencia de agujeros blancos, que son exactamente como suenan: lo opuesto a los agujeros negros, son blancos y emiten materia, en lugar de absorberla. Aunque nadie sabe dónde está el asunto aspirado por un agujero negro va, es divertido pensar que todo lo que entra en un agujero negro, sale de un agujero blanco.

Tendría que adivinar, pero diría que se absorbe y se descompone en rayos X y rayos gamma.

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