• Começa com um estrondo

Radiação Hawking não é apenas para buracos negros, mostra estudo

Em 1974, Hawking mostrou que os buracos negros não são estáveis, mas emitem radiação e decaem. Quase 50 anos depois, não é apenas para buracos negros.

Principais conclusões

• Em 1974, Stephen Hawking publicou um artigo histórico mostrando que os buracos negros não são entidades estáveis ​​no espaço-tempo, mas decaem lenta e gradualmente através da emissão de radiação.
• O processo quântico que alimenta essa radiação Hawking surge com base na diferença no vácuo quântico perto e longe do horizonte de eventos do buraco negro.
• Pela primeira vez, um novo estudo sugere que essa radiação de Hawking não depende do horizonte de eventos e deve estar presente para todas as massas dentro do espaço-tempo, com implicações surpreendentes para a física.

Ethan Siegel Compartilhe A radiação de Hawking não é apenas para buracos negros, mostra estudo no Facebook Compartilhe A radiação de Hawking não é apenas para buracos negros, mostra estudo no Twitter Compartilhar Radiação de Hawking não é apenas para buracos negros, mostra estudo no LinkedIn

Uma das conquistas mais notáveis ​​da física teórica ocorreu em 1974, quando Stephen Hawking demonstrou que os buracos negros não são entidades estáticas e estáveis ​​dentro do espaço-tempo, mas devem emitir radiação e eventualmente decair. Esta radiação, conhecida para sempre como Radiação Hawking , surge devido à combinação dos fatos que:

• campos quânticos permeiam todo o espaço,
• incluindo dentro e fora do horizonte de eventos de um buraco negro,
• que esses campos não são estáticos, mas exibem flutuações quânticas,
• e que esses campos se comportam de maneira diferente em regiões onde a curvatura do espaço-tempo é diferente.

Quando Hawking juntou esses fatos pela primeira vez, seu cálculo mostrou que os buracos negros não podem ser estáveis ​​com uma massa constante, mas, em vez disso, emitem uma quantidade omnidirecional de radiação de corpo negro de temperatura extremamente baixa. Essa radiação se propaga para longe do horizonte de eventos e, como a radiação real carrega energia, o único lugar de onde essa energia pode ser retirada é da massa do próprio buraco negro: por meio da equação clássica E = mc² , onde a massa perdida pelo buraco negro tem que equilibrar a energia da radiação emitida.

Mas em um novo papel delicioso , os físicos Michael Wondrak, Walter van Suijlekom e Heino Falcke desafiaram a ideia de que um horizonte de eventos é necessário para essa radiação. De acordo com sua nova abordagem, essa radiação surge apenas por causa das diferenças no vácuo quântico do espaço dependente de sua curvatura e, portanto, a radiação Hawking deve ser emitida por todas as massas do Universo, mesmo aquelas sem horizontes de eventos. É uma ideia notável e que está fermentando há muito tempo. Vamos descompactar o porquê.

Uma visualização do QCD ilustra como os pares partícula-antipartícula saem do vácuo quântico por períodos muito pequenos de tempo como consequência da incerteza de Heisenberg. O vácuo quântico é interessante porque exige que o próprio espaço vazio não seja tão vazio, mas seja preenchido com todas as partículas, antipartículas e campos em vários estados exigidos pela teoria quântica de campos que descreve nosso Universo. Os pares partícula-antipartícula ilustrados aqui, entretanto, são apenas uma ferramenta de cálculo; eles não devem ser confundidos com partículas reais.

Há um equívoco muito comum sobre como a radiação de Hawking funciona, apresentado por ninguém menos que o próprio Hawking em seu célebre livro popular, Uma breve História do Tempo . A maneira como Hawking nos disse para imaginá-lo:

• o Universo está cheio de pares partícula-antipartícula entrando e saindo da existência,
• mesmo no espaço vazio, como consequência da teoria quântica de campos e do princípio da incerteza de Heisenberg,
• que no espaço não curvo, esses pares sempre se encontram e se aniquilam novamente após um intervalo de tempo muito pequeno,
• mas se um horizonte de eventos estiver presente, um membro do par pode “cair” enquanto o outro “escapa”,
• levando a uma situação em que partículas reais (ou antipartículas) são emitidas com massa/energia positiva de fora do próprio horizonte,
• enquanto o membro emparelhado que cai no horizonte de eventos deve ter “energia negativa” que subtrai da massa total do buraco negro.

É uma imagem conveniente, com certeza, mas é uma imagem que até o próprio Hawking sabia ser falsa. Apesar do fato que, em seu artigo de 1974 , ele escreveu:

“Deve-se enfatizar que essas imagens do mecanismo responsável pela emissão térmica e diminuição de área são apenas heurísticas e não devem ser interpretadas literalmente”, disse.

Ele faz, de fato, leve-o literalmente em seu livro de 1988 que trouxe essa ideia para o público em geral.

No livro mais famoso de Hawking, Uma Breve História do Tempo, ele faz a analogia de que o espaço é preenchido com pares partícula-antipartícula e que um membro pode escapar (carregando energia positiva) enquanto o outro cai (com energia negativa), levando ao preto. decadência do buraco. Essa analogia falha continua a confundir gerações de físicos e leigos.

A razão pela qual você não pode tirar essa foto literalmente é porque os pares partícula-antipartícula que surgem e desaparecem da existência não são partículas reais reais; eles são o que os físicos chamam partículas virtuais : uma ferramenta de cálculo que usamos que representa flutuações nos campos subjacentes, mas que não são “reais” no sentido de que não podemos interagir ou medi-los diretamente de nenhuma forma.

Se você tirasse essa foto literalmente, pensaria erroneamente que essa radiação de Hawking é composta de uma mistura de partículas e antipartículas; não é. Em vez disso, é composto apenas de fótons de energia extremamente baixa em um espectro de corpo negro, já que mesmo o conjunto mais leve de partículas massivas conhecidas, os neutrinos e antineutrinos, são pesados ​​demais para que um único seja produzido pelos buracos negros reais em nosso planeta. Universo.

Em vez disso, a explicação real - embora existam muitas maneiras legítimas de abordar o cálculo do efeito (incluindo maneiras que envolvem esses pares virtuais partícula-antipartícula) - é que é a diferença no vácuo quântico (ou seja, as propriedades fundamentais dos campos quânticos no espaço vazio) entre regiões do espaço com diferentes quantidades de curvatura espacial que leva à produção dessa radiação térmica de corpo negro que chamamos de radiação Hawking.

A explicação mais comum e incorreta de como a radiação de Hawking surge é uma analogia com os pares partícula-antipartícula. Se um membro com energia negativa cair no horizonte de eventos do buraco negro, enquanto o outro membro com energia positiva escapa, o buraco negro perde massa e a radiação emitida sai do buraco negro. Essa explicação enganou gerações de físicos e veio do próprio Hawking. Um dos erros inerentes a essa explicação é a noção de que toda a radiação Hawking surge do próprio horizonte de eventos: não.

Existem alguns pontos interessantes que surgem, que são conhecidos há muitas décadas, como consequência do modo como a radiação de Hawking realmente funciona.

Ponto interessante nº 1: a própria radiação de Hawking não pode se originar do horizonte de eventos do próprio buraco negro .

Uma das coisas divertidas que você pode calcular, a qualquer momento, é a densidade da radiação Hawking que surge por todo o espaço. Você pode calcular a densidade de energia em função da distância do buraco negro e compará-la a um cálculo de qual seria a densidade de energia esperada se toda a radiação se originasse no próprio horizonte de eventos e depois se propagasse para fora no espaço.

Notavelmente, esses dois cálculos não coincidem; de fato, a maior parte da radiação Hawking que surge ao redor do horizonte de eventos do buraco negro se origina em cerca de 10-20 raios de Schwarzschild (o raio da singularidade ao horizonte de eventos) do horizonte de eventos, em vez do próprio horizonte de eventos. Na verdade, existem quantidades diferentes de zero de radiação que são emitidas por todo o espaço, mesmo longe do próprio horizonte de eventos. O próprio horizonte pode desempenhar um papel importante na geração da radiação Hawking, assim como A radiação Unruh deveria ser gerada devido à presença de um horizonte cósmico em nosso próprio Universo, mas você não pode gerar toda a sua radiação Hawking no horizonte de eventos de um buraco negro e obter previsões consistentes com nossos cálculos teóricos.

Deve-se notar que não são partículas ou antipartículas que são produzidas quando os buracos negros sofrem radiação Hawking, mas sim fótons. Pode-se calcular isso usando as ferramentas de pares virtuais partícula-antipartícula no espaço curvo na presença de um horizonte de eventos, mas esses pares virtuais não devem ser interpretados como sendo partículas reais, nem toda a radiação deve ser interpretada como decorrente de apenas fora do horizonte de eventos.

Ponto interessante nº 2: mais radiação é emitida de regiões do espaço mais severamente curvas, o que implica que os buracos negros de menor massa emitem mais radiação Hawking e decaem mais rapidamente do que os de maior massa.

Este é um ponto que intriga a maioria das pessoas na primeira vez que ouvem sobre isso: quanto mais massivo for o seu buraco negro, menos curvado será o seu espaço fora do horizonte de eventos do buraco negro. Sim, o horizonte de eventos é sempre definido por aquele limite onde a velocidade de escape de uma partícula é menor que a velocidade da luz (que está fora do horizonte de eventos) ou maior que a velocidade da luz (que define dentro do horizonte de eventos), e o tamanho desse horizonte é diretamente proporcional à massa do buraco negro.

Mas a curvatura do espaço é muito maior perto do horizonte de eventos de um buraco negro menor e de baixa massa do que perto do horizonte de eventos de um buraco negro maior e de maior massa. De fato, se olharmos para as propriedades da radiação Hawking emitida para buracos negros de diferentes massas (realistas), encontramos:

• A temperatura da radiação é inversamente proporcional à massa: dez vezes a massa significa um décimo da temperatura.
• A luminosidade, ou potência irradiada, de um buraco negro é inversamente proporcional ao quadrado da massa do buraco negro: dez vezes a massa significa um centésimo da luminosidade.
• E o tempo de evaporação de um buraco negro, ou quanto tempo leva para um buraco negro decair completamente na radiação Hawking, é diretamente proporcional à massa do buraco negro ao cubo: um buraco negro dez vezes mais massivo que outro persistirá por mil vezes mais.

Embora nenhuma luz possa escapar de dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, o espaço curvo fora dele resulta em uma diferença entre o estado de vácuo em diferentes pontos próximos ao horizonte de eventos, levando à emissão de radiação por meio de processos quânticos. É daí que vem a radiação de Hawking e, para os buracos negros de menor massa já descobertos, a radiação de Hawking levará ao seu decaimento completo em aproximadamente 10 ^ 68 anos. Mesmo para os maiores buracos negros de massa, a sobrevivência além de 10 ^ 103 anos ou mais é impossível devido a esse processo exato. Quanto maior a massa do seu buraco negro, mais fraca é a radiação de Hawking e mais tempo levará para evaporar.

Ponto interessante nº 3: a quantidade de curvatura do espaço-tempo a uma determinada distância de uma massa é completamente independente de quão densa é essa massa ou se ela possui um horizonte de eventos. .

Aqui está uma questão divertida a considerar. Imagine, se quiser, que o Sol foi magicamente substituído instantaneamente por um objeto que tinha exatamente a mesma massa do Sol, mas cujo tamanho físico era:

• o tamanho do próprio Sol (com um raio de cerca de 700.000 km),
• do tamanho de uma anã branca (com um raio de cerca de 7.000 km),
• do tamanho de uma estrela de nêutrons (com um raio de cerca de 11 km),
• ou do tamanho de um buraco negro (cujo raio seria de cerca de 3 km).

Agora, imagine que você recebeu a seguinte tarefa: descrever o que é a curvatura do espaço e como ela é diferente entre esses quatro exemplos separados.

A resposta, surpreendentemente, é que as únicas diferenças que surgem são se você estiver em um local dentro do próprio Sol. Contanto que você esteja a mais de 700.000 km de distância de um objeto de massa solar, não importa se esse objeto é uma estrela, uma anã branca, uma estrela de nêutrons, um buraco negro ou qualquer outro objeto com ou sem um horizonte de eventos: sua curvatura e propriedades do espaço-tempo são as mesmas.

Embora a quantidade que o espaço-tempo é curvado e distorcido dependa de quão denso é o objeto em questão quando você está perto da borda do objeto, o tamanho e o volume que o objeto ocupa não são importantes longe da própria massa. Para um buraco negro, estrela de nêutrons, anã branca ou uma estrela como o nosso Sol, a curvatura espacial é idêntica em raios suficientemente grandes.

Se você juntar esses três pontos, poderá começar a se perguntar o que muitos físicos se perguntam há muito tempo: a radiação Hawking ocorre apenas em torno de buracos negros ou ocorre para todos os objetos massivos dentro do espaço-tempo?

Embora o horizonte de eventos tenha sido uma característica fundamental na derivação original de Hawking da radiação que agora leva seu nome, houve outras derivações (às vezes em números alternativos de dimensões) que mostraram que essa radiação ainda existe no espaço-tempo curvo, independentemente da presença ou ausência de tal horizonte.

Isso e onde o novo papel que vem é tão interessante: o único papel que o horizonte de eventos desempenha é servir como um limite para onde a radiação pode ser “capturada” versus onde ela pode “escapar”. O cálculo é feito em um espaço-tempo totalmente quadridimensional (com três dimensões de espaço e uma dimensão de tempo) e compartilha muitos recursos importantes com outras abordagens para calcular a presença e as propriedades da radiação Hawking. O limite para o que é capturado versus o que escapa ainda existiria para qualquer outro exemplo de massa que escolhemos:

• seria o horizonte de eventos para um buraco negro,
• a superfície de uma estrela de nêutrons para uma estrela de nêutrons,
• a camada mais externa de uma anã branca para uma anã branca,
• ou a fotosfera de uma estrela para uma estrela.

Em todos os casos, haveria ainda uma fração de escape que dependia da massa e do raio do objeto em questão; não há nada de especial na presença ou ausência de um horizonte de eventos.

O horizonte de eventos de um buraco negro foi considerado um fator importante na geração de radiação Hawking em torno de buracos negros em muitos estudos anteriores, mas um novo sugere que essa radiação ainda pode ser gerada fora de um horizonte de eventos, mesmo que o próprio horizonte não nada mais do que proibir a luz de escapar de dentro dela.

Há uma analogia muito simples para a abordagem que Wondrak, van Suijlekom e Falcke adotam em seu artigo: a de o efeito Schwinger no eletromagnetismo. Em 1951, o físico Julian Schwinger - um dos co-descobridores da eletrodinâmica quântica - detalhou como a matéria poderia ser criada a partir de energia pura no vácuo do espaço simplesmente criando um campo elétrico suficientemente forte. Considerando que você pode visualizar as flutuações do campo quântico como quiser na ausência de um campo externo, a aplicação de um campo externo forte polariza até mesmo o vácuo do espaço: separando as cargas positivas das negativas. Se o campo for suficientemente forte, essas partículas virtuais podem se tornar reais , roubando energia do campo subjacente para manter a energia conservada.

Em vez de um campo elétrico, partículas carregadas e o efeito de Schwinger, o análogo gravitacional é simplesmente usar o fundo do espaço-tempo curvo para o campo elétrico, para substituir um campo escalar sem carga e sem massa para as partículas carregadas: um análogo simplista para stand- para os fótons que seriam produzidos via radiação Hawking. Em vez do efeito Schwinger, o que eles veem é a produção de novos quanta nesse espaço-tempo curvo, com um “perfil de produção” que depende do raio que você está longe do horizonte de eventos. Mas observe que não há nada de especial no próprio horizonte: a produção ocorre em todas as distâncias suficientemente longe do próprio objeto.

Conforme calculado no artigo “Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation”, não há radiação emitida de dentro do horizonte de eventos de um buraco negro (menos de “2” no eixo x), mas a radiação surge de uma região infinitamente estendida fora do horizonte de eventos, atingindo um pico de 25% maior que o próprio horizonte, mas caindo lentamente depois disso. A implicação é que mesmo objetos massivos sem um horizonte de eventos, como estrelas, devem emitir alguma quantidade de radiação Hawking.

A principal conclusão, supondo que a análise do artigo seja válida (o que obviamente requer confirmação independente), é que não há “papel especial” desempenhado pelo horizonte de eventos no que diz respeito à produção de radiação (ou qualquer outro tipo de partícula). Geralmente, se você tiver

• uma teoria quântica de campos,
• com operadores de criação e aniquilação,
• com algum tipo de forças diferenciais de maré atuando nas flutuações de campo (ou partículas e antipartículas virtuais, se você preferir),
• que criará um efeito de separação adicional sobre o que você esperaria em um fundo uniforme de espaço vazio,

então você pode concluir que uma fração das partículas produzidas escapará, de maneira dependente do raio, independentemente da presença ou ausência de um horizonte de eventos.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

Talvez seja importante observar que este novo trabalho não reproduz exatamente todas as características conhecidas da radiação de Hawking; é apenas um modelo simplista que representa um buraco negro realista. No entanto, muitas das lições extraídas deste estudo, bem como do modelo de brinquedo que o motivou, podem ser incrivelmente importantes para entender não apenas como a radiação de Hawking funciona, mas também sob quais circunstâncias e condições ela é gerada. Ele também prepara o palco, assim como já foi realizado para o efeito Schwinger , para sistemas análogos de matéria condensada a serem construídos, onde esse efeito pode ser realmente quantificável e observável.

Em teoria, o efeito Schwinger afirma que, na presença de campos elétricos fortes o suficiente, as partículas (carregadas) e suas contrapartes antipartículas serão arrancadas do vácuo quântico, o próprio espaço vazio, para se tornarem reais. Teorizadas por Julian Schwinger em 1951, as previsões foram validadas em um experimento de mesa, usando um sistema analógico quântico, pela primeira vez.

Uma das coisas que aprecio muito neste artigo é que ele corrige um grande e generalizado equívoco: a ideia de que a radiação de Hawking é gerada no próprio horizonte de eventos. Não só isso não é verdade, como o horizonte serve apenas como um “ponto de corte” no sentido de que nenhuma radiação gerada dentro dele pode escapar. Em vez disso, há um perfil de produção radial específico para essa radiação, onde há uma quantidade máxima de radiação que é gerada e escapa em cerca de 125% do raio do horizonte de eventos, e então essa radiação cai e assíntota para zero em raios maiores, mas sempre há uma quantidade diferente de zero de produção que pode ser prevista.

Uma coisa interessante a se pensar é que, para os buracos negros, não há reservatório externo de energia para “extrair” essa energia e, portanto, a energia para essa radiação deve vir do próprio objeto massivo no centro. Para um buraco negro, isso significa que ele deve decair, levando à sua eventual evaporação.

O horizonte de eventos de um buraco negro é uma região esférica ou esferoidal da qual nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Mas fora do horizonte de eventos, prevê-se que o buraco negro emita radiação. O trabalho de Hawking em 1974 foi o primeiro a demonstrar isso, e foi sem dúvida sua maior conquista científica. Um novo estudo agora sugere que a radiação de Hawking pode até ser emitida na ausência de buracos negros, com profundas implicações para todas as estrelas e remanescentes estelares em nosso Universo.

Mas para objetos que não são buracos negros, o que, especificamente, ocorrerá? Essa radiação emitida roubará energia da energia autogravitacional de um objeto como uma estrela ou remanescente estelar, levando à contração gravitacional? Isso eventualmente levará a decaimentos de partículas, ou mesmo algum tipo de transição de fase dentro deste objeto? Ou isso implica algo muito mais profundo: como, uma vez que certos limites são alcançados e superados, toda a matéria eventualmente entrará em colapso em um buraco negro e, por meio da radiação de Hawking, eventualmente decairá?

Neste ponto, são apenas especulações, pois são perguntas que só podem ser respondidas com um trabalho de acompanhamento. No entanto, este papel é uma linha de pensamento inteligente e faz algo notável: coloca e analisa um problema de quase 50 anos de uma maneira totalmente nova. Talvez, se a natureza for gentil, isso acabe nos aproximando da resolução de alguns dos principais problemas centrais dos buracos negros. Embora ainda seja apenas uma sugestão, vale a pena considerar a implicação: que todas as massas, não apenas os buracos negros, podem acabar emitindo radiação Hawking.

Compartilhar: