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Que pasa cuando un agujero negro se evapora?

Preguntale a Ethan: ¿Qué sucede cuando la singularidad de un agujero negro se evapora?

Comenzó con una estallido
El Universo está ahí, esperando a que lo descubras


Que pasa cuando un agujero negro se evapora?
El horizonte de eventos de un agujero negro es una región esférica o esferoidal de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Pero fuera del horizonte de eventos, se predice que el agujero negro emite radiación. Crédito de la imagen: NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al.; ESA

Por Ethan Siegel para Forbes Mayo 20 de 2017
Las opiniones de Ethan Siegel, no son necesariamente las de Forbes


Es difícil imaginar, dada la diversidad total de formas que la materia toma en este Universo, que durante millones de años, sólo hubo átomos neutrales de hidrógeno y gas de helio. Es quizás igualmente difícil imaginar que algún día, a partir de los cuatrillones de años, todas las estrellas habrán oscurecido. Sólo quedarán los restos de nuestro ahora vibrante Universo, incluyendo algunos de los objetos más espectaculares de todos: los agujeros negros. Pero ni siquiera ellos durarán para siempre. David Weber quiere saber cómo sucede esto para Ask Ethan de esta semana, preguntando:

¿Qué sucede cuando un agujero negro ha perdido suficiente energía debido a la radiación hawking que su densidad de energía ya no soporta una singularidad con un horizonte de eventos? Dicho de otra manera, ¿qué sucede cuando un agujero negro deja de ser un agujero negro debido a la radiación?

Para responder a esta pregunta, es importante entender lo que realmente es un agujero negro.

universo
La anatomía de una estrella muy masiva a lo largo de su vida, culminando en una Supernova Tipo II cuando el núcleo se queda sin combustible nuclear. Crédito de la imagen: Nicole Rager Fuller/NSF

Los agujeros negros generalmente se forman durante el colapso del núcleo de una estrella masiva, donde el combustible nuclear gastado deja de fundirse en elementos más pesados. A medida que la fusión se ralentiza y cesa, el núcleo experimenta una caída severa en la presión de la radiación, que era la única cosa que mantiene la estrella contrarestando el colapso gravitatorio. Mientras que las capas externas experimentan a menudo una reacción de fusión desenfrenada, alejándose de la estrella progenitora que comienza a llegar a ser una supernova, el núcleo primero colapsa en un solo núcleo atómico - una estrella de neutrónes - pero si la masa es demasiado grande, los neutrones se comprimen y se derrumban hasta un estado tan denso que se forma un agujero negro. (Un agujero negro también puede formarse si una estrella de neutrones acumula suficiente masa desde una estrella compañera, cruzando el umbral de masa necesario para convertirse en un agujero negro).

agujero negro
Cuando una estrella de neutrones acumula suficiente materia, puede colapsar hasta un agujero negro. Cuando un agujero negro acrecienta la materia, crece un disco de acreción y aumentará su masa a medida que la materia se canaliza en el horizonte del eventos. Crédito de la imagen: NASA/ESA Hubble Space Telescope collaboration

Desde un punto de vista gravitatorio, todo lo que se necesita para convertirse en un agujero negro es reunir suficiente masa en un volumen de espacio lo suficientemente pequeño como para que la luz no pueda escapar de dentro de una determinada región. Cada masa, incluyendo el planeta Tierra, tiene una velocidad de escape: la velocidad que necesitaría para escapar completamente de la atracción gravitacional a una distancia dada (por ejemplo, la distancia desde el centro de la Tierra a su superficie) desde su centro de masa . Pero si hay suficiente masa para que la velocidad que se necesita alcanzar a cierta distancia del centro de masa es la velocidad de la luz o más, entonces nada puede escapar de ella, ya que nada puede exceder la velocidad de la luz.

horizonte de eventos
La masa de un agujero negro es el único factor determinante del radio del horizonte de eventos, para un agujero negro aislado y no giratorio. Crédito de la imagen: SXS team; Bohn et al 2015

Esa distancia desde el centro de masa donde la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz - llamémosla R - define el tamaño del horizonte de eventos del agujero negro. Pero el hecho de que haya materia dentro bajo estas condiciones tiene otra consecuencia menos apreciada: esta materia debe colapsar hasta una singularidad. Usted podría pensar que podría haber un estado de materia que es estable y tiene un volumen finito dentro del horizonte de eventos, pero eso no es físicamente posible.

Para ejercer una fuerza hacia el exterior, una partícula interior tendría que enviar una partícula portadora de fuerza lejos del centro de masa y más próxima al horizonte de sucesos. Pero esa partícula que carga la fuerza también está limitada por la velocidad de la luz, y no importa dónde se encuentre dentro del horizonte de eventos, todas las curvas parecidas a la luz terminan en el centro. La situación es aún peor para partículas más lentas y masivas. Una vez que forma un agujero negro con un horizonte de eventos, toda la materia interior se cruza en una singularidad.

Radiacion hawkings
El espacio-tiempo exterior a un agujero negro de Schwarzschild, conocido como Paraboloide de Flamm, es fácilmente calculable. Pero dentro de un evento horizontes, todas las geodésicas conducen a la singularidad central. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons user AllenMcC

Y puesto que nada puede escaparse, usted podría pensar que un agujero negro seguiría siendo un agujero negro para siempre. Si no fuera por la física cuántica, esto sería exactamente lo que sucede. Pero en física cuántica, hay una cantidad no nula de energía inherente al espacio mismo: el vacío cuántico. En el espacio curvado, el vacío cuántico adquiere propiedades ligeramente diferentes que en el espacio plano, y no hay regiones donde la curvatura sea mayor que cerca de la singularidad de un agujero negro. La combinación de estas dos leyes de la naturaleza -la física cuántica y el espacio-tiempo relativista general alrededor de un agujero negro- nos da el fenómeno de la radiación de Hawking.

Vida estelar
Una visualización de QCD ilustra cómo los pares de partícula / antipartícula salen del vacío cuántico durante cantidades muy pequeñas de tiempo como consecuencia de la incertidumbre de Heisenberg. Crédito de la imagen: Derek B. Leinweber

La realización del cálculo de la teoría de campo cuántico en el espacio curvo produce una solución sorprendente: que la radiación térmica del cuerpo negro se emite en el espacio que rodea el horizonte de un agujero negro. Y cuanto más pequeño sea el horizonte de eventos, mayor será la curvatura del espacio cerca del horizonte de eventos y, por tanto, mayor será la velocidad de radiación de Hawking. Si nuestro Sol fuera un agujero negro, la temperatura de la radiación Hawking sería de unos 62 nanokelvin; Si tomas el agujero negro en el centro de nuestra galaxia, 4.000.000 veces más, la temperatura sería de 15 femtokelvin, o sólo 0.000025% la temperatura del agujero negro menos masivo.

Que pasa cuando un agujero negro se evapora?
Una imagen compuesta de rayos X / infrarrojos del agujero negro en el centro de nuestra galaxia: Sagitario A *. Tiene una masa de alrededor de cuatro millones de soles, y se encuentra rodeada de gas caliente que emite rayos X. Sin embargo, también emite (no detectable) la radiación Hawking, a temperaturas mucho, mucho más bajas. Crédito de la imagen: X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Esto significa que los agujeros negros más pequeños decaen más rápido, y los más grandes viven una vida más prolongada. Haciendo la matemática, un agujero negro de masa solar viviría alrededor de 10 ^ 67 años (un 1 seguido de 67 ceros) antes de evaporarse, pero el agujero negro en el centro de nuestra galaxia viviría por 10 ^ 20 veces el tiempo antes de la descomposición((10 ^ 67)^ 20=10 ^ 1340). Lo loco de todo es que hasta la última fracción de segundo, el agujero negro todavía tiene un horizonte de eventos. Una vez que se forma una singularidad, se sigue siendo una singularidad - y se conserva un horizonte de eventos - hasta el momento en que su masa va a cero.

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La radiación Hawking es lo que resulta inevitablemente de las predicciones de la física cuántica en el espacio-tiempo curvo que rodea el horizonte de un agujero negro. Crédito de la imagen: E. Siegel

Ese segundo final de la vida de un agujero negro, sin embargo, dará lugar a una liberación de energía muy específica y muy grande. Cuando la masa cae a 228 toneladas métricas, esa es la señal de que exactamente queda un segundo. El tamaño del horizonte de eventos en ese momento será 340 yoctometros, o 3,4 × 10 ^ -22 metros: el tamaño de una longitud de onda de un fotón con una energía mayor que cualquier partícula que el LHC haya producido. Pero en ese segundo final, se liberará un total de 2.05 × 10 ^ 22 Joules de energía, el equivalente de cinco millones de megatones de TNT. Es como si un millón de bombas nucleares de fusión se estallaran de repente en una pequeña región del espacio; Esa es la etapa final de la evaporación del agujero negro.

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A medida que un agujero negro se contrae en masa y radio, la radiación Hawking que emana de él se hace mayor y mayor en temperatura y potencia. Crédito de la imagen: NASA

¿Que es lo que queda? Sólo radiación saliente. Mientras que anteriormente, había una singularidad en el espacio donde la masa, y posiblemente la carga y el momento angular existían en un volumen infinitesimalmente pequeño, ahora no hay ninguno. El espacio ha sido restaurado a su estado previamente no singular, después de lo que debe haber parecido una eternidad: tiempo suficiente para que el Universo haya hecho todo lo que se ha hecho hasta la fecha billones y billones de veces. No habrá otras estrellas o fuentes de luz cuando esto ocurra por primera vez en nuestro Universo; No habrá nadie para presenciar esta espectacular explosión. Pero no hay "umbral" donde esto ocurre. Más bien, el agujero negro necesita evaporarse por completo. Cuando lo haga, a nuestro leal saber y entender, no habrá nada más que radiación saliente.

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Contra un telón de fondo aparentemente eterno de oscuridad eterna, surgirá un solo destello de luz: la evaporación del último agujero negro en el Universo. Crédito de la imagen: ortega-pictures / pixabay

En otras palabras, si observas cómo el último agujero negro de nuestro Universo se evapora, verías un vacío casi absoluto del espacio, que no mostraría luz ni signos de actividad durante tal vez 10^100 años o más. De repente, aparecería una tremenda cantidad de radiación de un espectro y magnitud muy particulares, dejando un solo punto en el espacio a 300.000 km / s. Por última vez en nuestro Universo observable, habría ocurrido un evento para bañar al Universo en radiación. La última evaporación de agujero negro de todos sería, de una manera poética, el último tiempo que el Universo diría: "¡Que sea la luz!"

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3 comentarios - Que pasa cuando un agujero negro se evapora?

Somosatomos
dale culeao el resumen lvl 5
betelijah
parale bola.. que hay más dibujitos... que letra corrida...
yopadrian
Chabon, muy buena info.

Gracias a yisus, todavia hay inteligencia colectiva en esta pagina. Aunque son pocos los soldados
georgegiorgio
estas cosas me hacen explotar la cabeza.. van +10, que no muera la IC!!