Pergunte a Ethan: Como a matéria escura interage com os buracos negros?
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
Se os buracos negros sugam tudo e nada pode sair, o que isso significa para a matéria escura?
Um único dia é suficiente para nos tornar um pouco maiores ou, outra vez, um pouco menores. – Paul Klee
Os buracos negros são alguns dos objetos mais extremos do Universo: uma concentração de massa tão grande que colapsa, sob a Relatividade Geral, em uma singularidade em seu centro. Átomos, núcleos e até mesmo partículas fundamentais são esmagados em uma espessura arbitrariamente pequena em nosso espaço tridimensional. Ao mesmo tempo, tudo o que cai nele está fadado a nunca escapar, mas simplesmente a aumentar sua atração gravitacional. O que isso significa para a matéria escura? Nosso apoiador do Patreon kilobug quer saber:
Como a matéria escura interage com os buracos negros? Ele é sugado para a singularidade como matéria normal, contribuindo para a massa do buraco negro? Se sim, quando o buraco negro evapora através da radiação Hawking, o que acontece com ele?
Esta é uma ótima pergunta, e tudo começa com o que os buracos negros realmente são.
Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech, do lançamento da missão Mars Pathfinder.
Aqui na Terra, se você deseja enviar algo para o espaço, precisa superar a atração gravitacional da Terra. Para o nosso planeta, o que chamamos de velocidade de escape é algo em torno de 25.000 mph (ou 11,2 km/s), que podemos alcançar com poderosos lançamentos de foguetes. Se estivéssemos na superfície do Sol, a velocidade de escape seria muito maior: cerca de 55 vezes tão grande, ou 617,5 km/s. Quando nosso Sol morrer, ele se contrairá em uma anã branca, com cerca de 50% da massa atual do Sol, mas apenas do tamanho físico da Terra. Nesse caso, sua velocidade de escape será de cerca de 4.570 km/s, ou cerca de 1,5% da velocidade da luz.
Sirius A e B, uma estrela normal (semelhante ao Sol) e uma estrela anã branca. Embora a anã branca tenha uma massa muito menor, seu tamanho minúsculo, semelhante ao da Terra, garante que sua velocidade de escape seja muitas vezes maior. Crédito da imagem: NASA, ESA e G. Bacon (STScI).
Isso é importante, porque à medida que você concentra mais e mais massa em uma determinada região do espaço, a velocidade necessária para escapar desse objeto se aproxima cada vez mais da velocidade da luz. E uma vez que sua velocidade de escape na superfície do objeto atinge ou excede a velocidade da luz, não é apenas que a luz não pode sair, é necessário que - pelo menos como entendemos matéria, energia, espaço e tempo hoje - tudo dentro esse objeto desmorona até uma singularidade. A razão é simples: todas as forças fundamentais, incluindo as forças que mantêm átomos, prótons ou mesmo quarks juntos, não podem se mover mais rápido que a velocidade da luz. Então, se você estiver em qualquer ponto longe de uma singularidade central e estiver tentando segurar um objeto mais distante contra o colapso gravitacional, não poderá fazê-lo; colapso é inevitável. E tudo o que você precisa para ultrapassar esse limite em primeiro lugar é uma estrela mais massiva do que cerca de 20 a 40 vezes a massa do nosso Sol.
Uma estrela massiva chegando ao fim de sua vida, com seu núcleo de ferro implodindo e formando um buraco negro. Crédito da imagem: Nicolle Rager Fuller/NSF.
Quando ficar sem combustível em seu núcleo, o centro implodirá sob sua própria gravidade, criando uma supernova catastrófica, explodindo e destruindo as camadas externas, mas deixando um buraco negro no centro. Esses buracos negros de massa estelar, em algum lugar na vizinhança de 10 massas solares, crescerão ao longo do tempo, consumindo qualquer matéria ou energia que se atreva a se aventurar muito perto deles. Mesmo se você se mover na velocidade da luz quando cair, nunca mais sairá. Devido à extrema curvatura do espaço interno, você inevitavelmente encontrará a singularidade no centro. Quando isso acontece, tudo o que você faz é aumentar a energia do buraco negro.
Um buraco negro se alimentando de um disco de acreção. Crédito da imagem: Mark Garlick (Universidade de Warwick).
Do lado de fora, não podemos dizer se um buraco negro era inicialmente composto de prótons e elétrons, nêutrons, matéria escura ou mesmo antimatéria. Existem – até onde sabemos – apenas três propriedades que podemos observar sobre um buraco negro de fora dele: sua massa, sua carga elétrica e seu momento angular, que é uma medida de quão rápido ele está girando. A matéria escura, até onde sabemos, não tem carga elétrica, nem possui nenhum dos outros números quânticos (carga de cor, número bariônico, número lépton, número de família lépton, etc.) que podem ou não ser conservados ou destruídos. no que se refere ao paradoxo da informação do buraco negro.
Crédito da ilustração: ESA, recuperado via http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/blackholes2.html .
Por causa de como os buracos negros são formados (a partir das explosões de estrelas supermassivas), quando são formados pela primeira vez, os buracos negros são praticamente 100% de matéria normal (bariônica) e apenas cerca de 0% de matéria escura. Lembre-se de que a matéria escura interage apenas gravitacionalmente, ao contrário da matéria normal, que interage através das forças gravitacional, fraca, eletromagnética e forte. Sim, há talvez cinco vezes mais matéria escura total em grandes galáxias e aglomerados do que matéria normal, mas isso se resume a todo o enorme halo. Em uma galáxia típica, esse halo de matéria escura se estende por alguns milhões de anos-luz, esfericamente, em todas as direções, enquanto a matéria normal está concentrada em um disco que tem apenas 0,01% do volume da matéria escura.
A matéria normal (centro, em um disco) e a matéria escura (azul, em um halo) de uma galáxia típica. Crédito da imagem: NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI).
Os buracos negros tendem a se formar nas entranhas da galáxia, onde a matéria normal domina totalmente a matéria escura. Considere apenas a região do espaço onde estamos localizados: ao redor do nosso Sol. Se desenhássemos uma esfera com 100 UA de raio (onde uma UA é a distância da Terra ao Sol) ao redor do nosso Sistema Solar, cercaríamos todos os planetas, luas, asteróides e praticamente todo o cinturão de Kuiper, mas a massa bariônica — a matéria normal — do que estaria dentro de nossa esfera seria dominada pelo nosso Sol e pesaria cerca de 2 × 10³⁰ kg. Por outro lado, a quantidade total de matéria escura nessa mesma esfera? Apenas cerca de 1 × 10¹⁹ kg, ou apenas 0,0000000005% da massa da matéria normal nessa mesma região, ou aproximadamente a massa de um asteroide modesto do tamanho de junho , com cerca de 200 km de diâmetro.
Crédito da imagem: usuário da Wikipédia Dreg743.
Com o tempo, a matéria escura e a matéria normal colidirão com esse buraco negro, sendo absorvidas e aumentando sua massa. A grande maioria do crescimento de massa do buraco negro virá da matéria normal e não da matéria escura, embora em algum momento, muitos quatrilhões de anos no futuro, a taxa de decaimento do buraco negro finalmente superará a taxa de crescimento do buraco negro. O processo de radiação Hawking resulta na emissão de partículas e fótons de fora do horizonte de eventos do buraco negro, conservando toda a energia, carga e momento angular do interior do buraco negro. Esse processo pode levar de 10⁶⁷ anos (para um buraco negro de massa solar) a 10¹⁰⁰ anos (para os buracos negros de massa solar multibilionárias mais massivos), mas eventualmente o que sai é uma mistura de tudo o que é possível.
Crédito da imagem: Arte conceitual da NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et ai.; ESA.
Isso significa que alguma matéria escura sairá de buracos negros, mas espera-se que isso seja completamente independente de uma quantidade substancial de matéria escura ter entrado no buraco negro em primeiro lugar. Tudo o que um buraco negro tem memória, uma vez que as coisas caíram, é um pequeno conjunto de números quânticos e a quantidade de matéria escura que entrou nele não é um deles . O que sai não vai ser igual ao que você coloca!
Um exemplo de radiação Hawking deixando um buraco negro próximo ao horizonte de eventos. (Somente ilustração qualitativa!) Crédito da imagem: E. Siegel.
Então, no final das contas, a matéria escura é apenas outra fonte de alimento para os buracos negros, e não muito boa nisso. Pior ainda: nem é uma fonte interessante de alimento. O que um buraco negro vê não é diferente de acender uma lanterna em um buraco negro e ter seus fótons absorvidos até que, via E=mc^2, você tenha colocado tanta energia quanto a massa na matéria escura que caiu. Não existem outros tipos de carga na matéria escura, e além do momento angular de cair fora do centro (que também se aplica aos fótons), não há nenhum outro efeito nos buracos negros, seja entrando ou saindo.
Tem uma pergunta que você quer que apareça no próximo Ask Ethan? Envie-o para beginwithabang no gmail ponto com !
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