agujeros negros, radiación de Hawking
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| Impresión artística de un disco de acreción de un agujero negro. Wikimedia Commons |
Todos hemos escuchado que la gravedad de un agujero negro es tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar. Esto conduce inevitablemente a la impresión de que el límite de un agujero negro es el metafórico viaje de ida al abismo, y que un agujero negro simplemente crece para siempre a medida que engulle más y más del universo que lo rodea.
En general, esto es cierto, pero casi como en un cuento popular, se cree que uno de los fenómenos más pequeños conocidos por la física es capaz de ir desmoronando lenta pero constantemente un agujero negro poco a poco hasta que no queda nada y es como si el agujero negro nunca había existido en absoluto.
Este fenómeno, conocido como radiación de Hawking, es una de las peculiaridades más improbables de la mecánica cuántica, pero muestra cómo nada, ni siquiera los agujeros negros, pueden eludir la ley de conservación de la energía.
¿Qué es el horizonte de sucesos de un agujero negro?
Para entender cómo un agujero negro puede simplemente desaparecer de la existencia, necesitamos repasar algo de la física alrededor de los agujeros negros.
Cuando una estrella de tamaño suficiente, comenzando alrededor de nueve a 10 masas solares y alcanzando un tamaño de 100 masas solares, se queda sin combustible para quemar, la fuerza exterior de su horno nuclear ya no es suficiente para contener la fuerza de su propia gravedad. .
Cuando esto sucede, se produce un colapso espectacular con velocidades cercanas a los 70.000 m/s que pueden o no producir una supernova, según la masa y la composición de la estrella.
En algunos casos, la fuerza de la gravedad durante este colapso es tan fuerte que nada puede evitar un colapso hacia el volumen cero y la densidad infinita. Luego se forma una singularidad en un solo punto en el espacio con toda la masa de la estrella colapsada, lo que produce un fenómeno notable.
Todos los cuerpos masivos del universo tienen una velocidad de escape, que es la velocidad necesaria para superar la atracción gravitacional del cuerpo, y la velocidad requerida aumenta a medida que te acercas al centro de gravedad de un objeto.
Con los agujeros negros, hay una distancia desde el centro por debajo de la cual la velocidad de escape excede la velocidad de la luz, que es lo más rápido que se puede mover cualquier cosa en el universo. Como resultado, el horizonte de eventos (sucesos) se forma alrededor de la singularidad en este radio, conocido como el radio de Schwarzschild, más allá del cual nada puede escapar, ni siquiera las partículas más diminutas.
¿Qué es la radiación de Hawking?
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| Fuente: Jeremy Schnittman/Wikimedia Commons |
Hay una extraña peculiaridad de la teoría cuántica de campos que dice que cada unidad cuadrada de volumen en el universo está absolutamente agitada con fluctuaciones cuánticas producidas por lo que se conoce como partículas virtuales.
Las partículas virtuales son la creación espontánea y transitoria y la destrucción instantánea de partículas y antipartículas en el vacío. En el curso normal de los acontecimientos, estas fluctuaciones no tendrían ningún efecto en el universo más grande, ya que las partículas virtuales no tienen tiempo de hacer nada más que aniquilarse entre sí.
Estos efectos de fluctuación cuántica ocurren constantemente, a nuestro alrededor, y por lo demás no son particularmente notables, excepto a lo largo del borde de un horizonte de eventos. Aunque estas partículas existen en una escala cuántica, ocupan espacio real y, a veces, las partículas aparecen a lo largo del borde del horizonte de eventos de un agujero negro.
Cuando esto sucede, las dos partículas no tienen tiempo de aniquilarse entre sí antes de que la mitad del par sea absorbida por el agujero negro, mientras que la otra puede salir disparada hacia el espacio y escapar como una forma de radiación térmica de cuerpo negro conocida. como radiación de Hawking.
¿Pueden realmente evaporarse los agujeros negros?
Sin embargo, la radiación de Hawking es un gran no-no, ya que no existe la energía libre en el universo. La energía no se crea ni se destruye, solo se puede convertir en diferentes tipos de energía.
Toda la energía que existe siempre ha existido y siempre existirá. Al final, el libro mayor del universo debe equilibrarse, entonces, ¿cómo explicamos la repentina adición de radiación de Hawking que no existía antes de que la mitad de un par de partículas virtuales fuera tragada por un agujero negro?
Afortunadamente, mientras que la radiación de Hawking recién emitida se escapa hacia el universo más amplio, esa partícula virtual que cae en realidad transporta energía negativa como débito del crédito de la radiación de Hawking.
Esto mantiene equilibrado el libro mayor de energía del universo al reducir la energía del agujero negro en una cantidad proporcional a la que se liberó en forma de radiación de Hawking.
Y dado que la energía se puede convertir en masa y viceversa (E = MC 2 ), esa energía negativa se convierte en masa negativa agregada al agujero negro, restando efectivamente esa masa del total. Esta reducción de masa es tan pequeña como se puede obtener en términos reales, pero la superficie del horizonte de sucesos está absolutamente hirviendo con la radiación de Hawking.
Esto tiene un efecto de muerte en el agujero negro, y si el agujero negro no agrega más masa al consumir materia, durante mucho tiempo, perderá toda su masa debido a la radiación de Hawking.
¿Con qué frecuencia se evaporan los agujeros negros?
No se sabe con qué frecuencia ha ocurrido este proceso, pero es probable que los minúsculos agujeros negros primordiales que se formaron después del Big Bang se hayan evaporado hace mucho tiempo. Sin embargo, los astrónomos esperan que todavía exista algo en el universo, ya que probablemente sea la única forma en que veremos tal evaporación .
Se teoriza que un agujero negro en evaporación llegará a su fin cuando se acerque a una masa y dos longitudes de Planck, momento en el que se plantea la hipótesis de que el agujero negro se evapora con una violenta explosión de rayos gamma. Los astrónomos y los físicos han estado buscando un estallido de rayos gamma de este tipo, pero aún tienen que encontrar uno y es posible que nunca lo encontremos.
En cuanto a los agujeros negros más grandes, de masa estelar y de masa intermedia, si uno fuera creado de alguna manera en el medio intergaláctico de tal manera que no entre en contacto con nada durante unos 10 70 años, es posible que uno de estos agujeros negros más grandes se evaporen.
Teniendo en cuenta que se trata de órdenes de magnitud más largos que la vida útil del universo, es probable que ningún agujero negro de este tamaño se haya evaporado nunca de esta manera en la vida del universo.
En cuanto a los agujeros negros dentro de una galaxia u otras estructuras cósmicas similares, hay demasiado material disponible para que la radiación de Hawking comience a hacer mella en la masa de un agujero negro, ya que un agujero negro simplemente acumulará más masa de la que irradia.
En cuanto a los agujeros negros supermasivos, bueno, puedes olvidarte de eso. A Sagitario A* le tomaría 10 87 años evaporarse de la radiación de Hawking, y para Ton 618, el agujero negro más grande jamás descubierto (con un peso de 66 mil millones de masas solares), tardaría más de 10 100 años en evaporarse.
Estas son escalas de tiempo de muerte por calor del universo, y en realidad, la radiación de Hawking y la evaporación de los agujeros negros solo tendrán consecuencias mucho después de que todas las estrellas del universo se hayan extinguido y todo el espacio-tiempo sea un cripta cósmica infinita.
La radiación de Hawking y la paradoja de la información del agujero negro
Más allá de las complejidades teóricas de la radiación de Hawking y la evaporación del agujero negro, el efecto más importante de la radiación de Hawking es lo que se conoce como la paradoja de la información del agujero negro.
Esto se produce por el conflicto entre dos reglas en competencia que gobiernan la radiación de Hawking por un lado y la teoría cuántica de campos por el otro.
Se ha demostrado que la radiación de Hawking no tiene información codificada y no tiene conexión con ninguna radiación de Hawking anterior, lo que significa que no lleva consigo ninguna información que se origine en su partícula compañera entrelazada que cayó en el agujero negro.
Si no se transmite información a través de la radiación de Hawking, toda la información que cae en un agujero negro permanece dentro del agujero negro para siempre. Esto es importante para la teoría cuántica de campos, que sostiene como regla fundamental que la información no puede perderse irremediablemente.
Revueltos fuera de todo orden, eso sí. Encerrado dentro de un agujero negro para nunca más ser visto. Mientras exista el agujero negro que la contiene, esa información seguirá existiendo en algún lugar del universo y , en teoría , puede reconstituirse algún día mediante un proceso que aún no hemos descubierto.
Este es el quid de la paradoja, ya que la radiación de Hawking no transmite información fuera del agujero negro, pero sí predice que todos los agujeros negros desaparecerán eventualmente, llevándose cualquier información que contengan, en violación de la teoría cuántica de campos.
Ha habido muchos intentos de reconciliar la radiación de Hawking con la ley de conservación de la información, pero ninguno ha producido una solución satisfactoria al problema, e incluso han producido problemas adicionales para que los físicos se enreden.
Una de esas paradojas relacionadas se conoce como la paradoja del cortafuegos del agujero negro , que toma la paradoja de la información del agujero negro y la superpone en una violación adicional de lo que el físico teórico Joe Polchinski y otros han llamado el principio "sin drama" de la complementariedad del agujero negro, obligando a los físicos a la incómoda posición de tener que sacrificar una de las tres teorías bien establecidas.
No hace falta decir que la radiación de Hawking ha sido un tema controvertido para los físicos desde que Hawking la propuso en 1974 y, desafortunadamente, la evidencia experimental que usa agujeros negros sónicos demuestra que la radiación de Hawking es un fenómeno real que no se puede ignorar.
Cómo la radiación de Hawking eventualmente se reconcilia con el resto de la física es una incógnita, pero seguirá burbujeando a lo largo de los horizontes de eventos en todas partes como una corriente suave que talla un poderoso cañón.
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