Pregúntele a Ethan: ¿Los agujeros negros crecen más rápido de lo que se evaporan?

Cuando la materia cae, crecen los agujeros negros. Pero la radiación de Hawking dice que los agujeros negros decaen. ¿Quién gana?

“Quizás ese sea nuestro error: quizás no haya posiciones y velocidades de partículas, sino solo ondas. Es solo que intentamos ajustar las ondas a nuestras ideas preconcebidas de posiciones y velocidades. El desajuste resultante es la causa de la aparente imprevisibilidad “. – Stephen Hawking

Los agujeros negros son los objetos individuales más masivos del Universo conocido. Más masivos incluso que el Sol, a veces millones o incluso miles de millones de veces más masivos, se forman a partir del colapso de estrellas ultramasivas y sus remanentes. Todo lo que cruce el horizonte de sucesos está destinado a llegar a la singularidad central, aumentando la masa del agujero negro. Pero gracias a la combinación de la relatividad general, que nos dice cómo el espacio está curvado por la masa, y la teoría cuántica de campos, que nos dice cómo se comporta espontáneamente el espacio vacío, aprendemos que los agujeros negros no permanecen estables para siempre, sino que decaen. ¿Cuál ganará: el crecimiento o la decadencia? Eso es lo que Steve Fitch quiere saber:

“Me pregunto por qué los agujeros negros no crecerían más rápido de lo que pueden evaporarse debido a la radiación [de Hawking]. Si los pares de partículas están en erupción en todas partes del espacio, incluso dentro de los horizontes de eventos de [agujero negro], y no todos se aniquilan entre sí poco después, ¿por qué un [agujero negro] no se hincha lentamente debido a partículas supervivientes que no se aniquilado? “

Sin embargo, hay un concepto erróneo. Comencemos con eso.

Sí, el espacio vacío es un lugar interesante. ¡En muchos sentidos, no está nada vacío! Claro, puedes imaginarte sacando toda la materia, toda la radiación, todos los cuantos de energía, incluso toda la curvatura completamente fuera de una región del espacio, hasta que todo lo que queda sea lo más cercano a “nada” que podamos obtener en este Universo. . Sin embargo, incluso así, la energía del punto cero de ese espacio vacío no es cero. Incluso habiendo eliminado todo lo que puedes eliminar, sigue habiendo una cantidad de energía distinta de cero inherente al espacio mismo. Una forma en que podemos visualizar eso es como pares de partículas y antipartículas, apareciendo y desapareciendo de la existencia.

Ahora, tome esa misma visualización y coloque un agujero negro en ese espacio.

Tendrá tres regiones donde emergen estos pares de partículas y antipartículas:

Sí, esto está muy simplificado, pero es una de las visualizaciones más sencillas que obtiene las características cualitativas correctas, aunque no describe con precisión dónde se origina la radiación de Hawking o cuál es su espectro de energía. En realidad, lo que se obtiene es un espectro de radiación de cuerpo negro, principalmente en forma de fotones de energía extremadamente baja, que está relacionado con el tamaño del horizonte de eventos de su agujero negro, donde los agujeros negros más pequeños irradian más rápido.

Lo que debe tener en cuenta es que estos “pares” no existen físicamente; son solo herramientas de cálculo. Un par que aparece dentro del agujero negro no puede agregar masa al agujero negro en sí, porque la energía total allí es la misma en todo momento. Después de todo, ¡la energía para los pares de partículas y antipartículas provino del espacio que los rodea! Pero si tiene energía que se origina en el espacio exterior y da como resultado que la radiación real se aleje del agujero negro, esa energía debe provenir del propio agujero negro, reduciendo su masa. Así es como funciona la radiación de Hawking y es por eso que los agujeros negros eventualmente se desintegran.

¡Podemos cuantificar esta tasa de desintegración y la temperatura de la radiación, y descubrir que los agujeros negros pierden masa a una tasa tremendamente lenta! Para un agujero negro de la masa del Sol, la temperatura actual de su radiación de Hawking será de 62 nanoKelvin y tardará 10⁶⁷ años en evaporarse. Para el que está en el centro de nuestra galaxia, se irradia a 15 femtokelvin y tarda 10⁸⁷ años en evaporarse. ¡Los agujeros negros más grandes de todos tardarán 10¹⁰⁰ años en evaporarse! Sin embargo, a lo largo de todo este tiempo, también hay materia que es absorbida por el agujero negro en cuestión.

El material de otras estrellas, del polvo cósmico, de la materia interestelar, las nubes de gas o incluso la radiación y los neutrinos que quedaron del Big Bang pueden contribuir. La materia oscura que intervenga chocará con el agujero negro, aumentando también su masa. El equivalente de masa de la pérdida de radiación es muchos órdenes de magnitud menor que la cantidad de materia absorbida por cualquier agujero negro. Pero hay un límite en el asunto que se puede absorber.

Con el tiempo, el gas se quema y se convierte en estrellas, los objetos colapsados ​​se expulsan al medio intergaláctico y la disociación gravitacional separa los objetos. Puede tomar alrededor de 10²⁰ años, diez mil millones de veces la edad actual del Universo, para que la tasa de absorción de materia caiga por debajo de la tasa de radiación de Hawking, pero eventualmente sucederá. Y una vez que lo haga, la descomposición del agujero negro comenzará a ganar. Todos los agujeros negros que conocemos en el Universo todavía están creciendo, pero ese crecimiento alcanzará un máximo finito. Después de eso, triunfará la radiación de Hawking.

Comienza lento, pero la radiación de Hawking aumentará con el tiempo, particularmente a medida que la masa del agujero negro comience a reducirse de manera apreciable. Una vez que forma una singularidad, sigue siendo una singularidad, y conserva un horizonte de eventos, hasta el momento en que su masa llega a cero. Ese último segundo de la vida de un agujero negro, sin embargo, resultará en una liberación de energía muy específica y muy grande. Cuando la masa desciende a 228 toneladas métricas, esa es la señal de que queda exactamente un segundo. El tamaño del horizonte de eventos en ese momento será de 340 yoctómetros, o 3,4 × 10 ^ -22 metros: el tamaño de una longitud de onda de un fotón con una energía mayor que cualquier partícula que haya producido el LHC. Pero en ese último segundo, se liberará un total de 2.05 × 10²² Julios de energía, el equivalente a cinco millones de megatones de TNT. Es como si un millón de bombas de fusión nuclear estallaran de una vez en una pequeña región del espacio; esa es la etapa final de la evaporación del agujero negro.

Esto ocurrirá tan lejos en el futuro que tal destello de luz será lo único visible en todo el Universo cuando ocurra. Todas las estrellas y los restos estelares se habrán oscurecido hace mucho tiempo. Aunque los hoyos negros están creciendo más rápido de lo que pueden decaer, esa es una situación que no durará para siempre. Una vez que nos quedamos sin materia que cae, o la tasa cae por debajo de la tasa de radiación de Hawking, la descomposición es lo único que queda, y es terriblemente persistente. ¡Así que anímate! Los agujeros negros crecerán y crecerán y crecerán durante miles de millones de años antes de que comiencen a descomponerse más rápido de lo que están creciendo, e incluso una vez que lo hacen, tienen períodos de tiempo increíbles antes de desaparecer. Pero espere el tiempo requerido, e incluso el agujero negro más masivo del Universo se evaporará. La radiación de Hawking es el destino inevitable de todos los agujeros negros del Universo.

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Starts With A Bang está ahora en Forbes y se ha vuelto a publicar en Medium gracias a nuestros seguidores de Patreon . Ethan es autor de dos libros, Beyond The Galaxy y Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive .