Como os buracos negros evaporam?
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech, via http://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA12966.
Eles são os objetos mais densos do Universo, mas mesmo eles não viverão para sempre. Aqui está por que não.
É como, quanto mais preto isso poderia ser? E a resposta é Nenhum . Nada mais preto . -Nigel Tufnel, isso é Spinal Tap
Então você já ouviu falar de buracos negros: regiões do espaço onde matéria e energia estão concentradas tão densamente que nada, nem mesmo a luz pode escapar a partir dele.
Crédito da imagem: Colaboração do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA.
Esses objetos certamente existe , e são conhecidos por variar em tamanho apenas algumas vezes a massa do nosso Sol (como Cygnus X-1 , ilustrado acima) aos supermassivos nos centros das galáxias. Nossa galáxia tem uma que é cerca de quatro milhões de vezes a massa do Sol (abaixo), mas as maiores pode ser muitos bilhões (ou mesmo dezenas bilhões) de vezes mais massivo que o nosso Sol.
Crédito da imagem: KECK / UCLA Galactic Center Group / Andrea Ghez et al.
As menores são formadas quando estrelas muito massivas – estrelas com cerca de 12 a 15 vezes a massa do nosso Sol (ou mais) – ficam sem combustível nuclear em seu núcleo. Quando o combustível acaba, o núcleo colapsa sob sua própria gravidade. Para estrelas menores, as propriedades quânticas dos átomos podem resistir à gravidade, para estrelas maiores (talvez 7-12 vezes a massa do nosso Sol), o núcleo se fundirá em uma enorme coleção de nêutrons, que podem resistir à gravidade , criando uma estrela de nêutrons. Mas acima de um certo limite, nem mesmo os próprios nêutrons podem resistir à força da gravidade; o resultado será um buraco negro.
Crédito da imagem: Nicolle Rager Fuller/NSF.
E, claro, você pode fazer ainda maiores por fusões e outros processos ; o Universo é, sem dúvida, rico com eles. Mas se nem mesmo a luz pode escapar de um buraco negro, como é que eles vão evaporar?
Você já deve ter ouvido falar de termos como Princípio da Incerteza de Heisenberg e Radiação Hawking , e à primeira vista, isso pode parecer explicá-lo. Vamos dar uma olhada no primeiro.
Crédito da imagem: Cetin Bal of http://www.zamandayolculuk.com/ .
Uma das coisas estranhas fundamentais sobre a mecânica quântica é que ela diz que você não pode medir a energia de um sistema com uma precisão arbitrária em um período de tempo finito: há um incerteza inerente de tempo de energia . Isso significa muitas coisas: partículas que vivem um tempo muito curto (como o bóson de Higgs ou o quark top) têm uma incerteza inerente em sua massa, que a medição da massa ou energia de um sistema não pode ser alcançado instantaneamente , e - talvez o mais importante - que mesmo o próprio espaço completamente vazio pode ter uma energia diferente de zero.
Graças à mecânica quântica, temos até uma maneira de visualizar isso.
Crédito da imagem: Derek B. Leinweber de http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/Nobel/index.html .
Pares de partículas e antipartículas quânticas podem aparecer e desaparecer por períodos muito breves de tempo. Desde que obedeçam ao Princípio da Incerteza de Heisenberg, isso não é apenas possível, é inevitável! E com essa imagem em mente, você pode pensar que pode encontrar uma maneira de fazer seus buracos negros decaírem.
Veja bem, os buracos negros - independentemente do tamanho - têm uma Horizonte de eventos , ou um local além do qual nada pode sair. Dentro do horizonte de eventos, tudo está preso: qualquer matéria ali permanece, qualquer par partícula-antipartícula permanece dentro, qualquer luz que entra não pode escapar. Fora nesse horizonte de eventos, no entanto, as coisas podem permanecer fora ou E se você tem pares de partículas-antipartículas se formando do lado de fora, você pode imaginar que, na maioria das vezes, eles se aniquilam do lado de fora, mas de vez em quando, 1 dos pares pode cair, enquanto o outro fica do lado de fora!
Crédito da imagem: Oracle Thinkquest, via http://library.thinkquest.org/ .
Esta é uma imagem bonita e tentadora, mas também não está completa. Existem alguns problemas com isso que eu mesmo encobri no passado, e é hora de resolvê-los agora.
Por um lado, partículas custam energia, por assim dizer, e pela conservação de energia, você não pode simplesmente criá-las de graça do nada. Mesmo a incerteza quântica só permite que você engane a energia do Universo por um pequeno período de tempo; eventualmente você tem que devolvê-lo!
Para outro, o temperatura da radiação devido a esse mecanismo pode ser calculada, e a única coisa da qual depende é a massa do buraco negro do qual estamos do lado de fora.
Imagem retirada da página da Wikipedia em Radiação Hawking .
Embora sejam necessários literalmente bilhões de graus de temperatura para criar a mais leve pares partícula/antipartícula (sem contar os neutrinos, que entrariam em alguns graus), um buraco negro da massa do nosso Sol teria uma temperatura de menos de um micro Kelvin , e a temperatura só vai baixa para os mais maciços. Em outras palavras, a energia simplesmente não está lá para fazer 1 dessas partículas.
Então, qual é a saída? O que realmente acontece?
Crédito da imagem: Ecole Polytechnique na França, via http://theory.polytechnique.fr/resint/mbqft/mbqft.html .
Você tem que lembrar que não são real partículas, mas sim virtual partículas que estão sendo criadas. A imagem da mecânica quântica que mostrei anteriormente é uma visualização não relativística do teoria relativística do campo quântico que melhor descreve o nosso Universo. Em vez de pares reais de partículas-antipartículas, estes são melhor visualizados como partículas virtuais que nunca existem fisicamente (ou seja, com massa e colisões), mas que podem viver por períodos limitados de tempo, desde que o estado final final é consistente com todas as leis de conservação conhecidas.
Com isso em mente, o que está acontecendo fora do horizonte de eventos de um buraco negro?
Crédito da imagem: Arte conceitual da NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et ai.; ESA.
Sim, você faz estes virtual pares partícula-antipartícula o tempo todo; em alguns casos, a partícula cai e a antipartícula permanece do lado de fora e, em alguns casos, a antipartícula cai e a partícula permanece do lado de fora. Mas é quando você tem dois desses pares de partículas virtuais fazendo isso de forma que corresponda às condições corretas que você pode obter radiação real saindo do seu buraco negro!
Crédito da imagem: eu. Peço desculpas por qualquer dificuldade que você tenha ao lê-lo.
Imagine que você tem dois pares partícula-antipartícula fora do horizonte de eventos: para o par um, a antipartícula cai e a partícula escapa, enquanto para o par dois, a partícula cai e a antipartícula escapa. A partícula que escapa do par um e a antipartícula do par dois interagem, produzindo dois fótons (que é o que você precisa para conservar energia e momento), que podem escapar como radiação Hawking com energia real e positiva .
Mas essa energia não é de graça! De onde veio? Ele deve ser subtraído da massa do buraco negro, algo que pode acontecer graças às partículas virtuais infalling do original em parte do par out-in e do par in-out, respectivamente. Então, no final, temos radiação escapando e uma massa menor para o buraco negro!
Crédito da imagem: Adam Apollo.
Embora a única maneira de obter a resposta exata seja fazer os cálculos da teoria quântica de campos em um espaço fortemente curvo, esta imagem que descrevi para você é muito, muito perto do que realmente acontece. A diferença sutil é que a radiação emitida é corpo negro e contínuo , algo que você não saberia da imagem que pintei acima. O que também é incrível é que a taxa de perda de energia (codificada na temperatura do buraco) é mais rápida em torno de buracos negros de menor massa, uma vez que a curvatura do espaço na verdade é mais intensa em torno de horizontes de eventos para pequeno buracos negros!
Levaria cerca de 10 ^ 67 anos para um buraco negro com a massa do Sol evaporar e cerca de 10 ^ 100 anos para os maiores buracos negros do Universo. Isso pode ser muito mais longo do que a idade do Universo, mas ainda não é para sempre . Embora os buracos negros possam viver mais do que qualquer outro objeto conhecido no Universo, até eles têm seus limites, e agora você sabe como é!
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