¿Cómo pueden los agujeros negros evaporarse en fotones si no contienen antimateria?

Hawking teorizó sobre la evaporación de los agujeros negros. Los fotones se representan irradiando lentamente su masa. Cuanto mayor es la masa, más tiempo tarda (debido a las fuerzas de marea más pequeñas).

Lo que hace que uno se pregunte, ¿cómo puede la materia interna, compuesta de materia normal (por lo tanto, no de antimateria), transformarse solo en fotones? ¿No contradice esto todas las leyes de conservación de la física de partículas? ¿Existen reacciones en la física de partículas que transformen todas las partículas involucradas en fotones, excepto las reacciones de materia antimateria?

Dicho de otra manera, ¿cómo pueden aniquilarse los quarks y los electrones? Ambos poseen la misma cantidad de carga positiva y negativa, pero no tengo conocimiento de procesos en los que se destruyan, mutuamente o por separado. Ni siquiera por la onda de energía negativa que cae del horizonte, que destruye la masa pero no las cargas.

La mayoría de los agujeros negros se forman a partir de materia estelar, excepto los neutrinos o las estrellas de neutrones que colapsan, que contienen solo quarks arriba y abajo (en una proporción de 1:2). Si consideramos el agujero negro de neutrones, pensarías que sus masas y cargas solo pueden ser aniquiladas por energía negativa contra los quarks up y down. Pero, ¿qué sucede con los quarks arriba y abajo de energía negativa?

Para decirlo de otra manera una última vez. Digamos que tenemos un agujero formado por cantidades iguales de electrones, protones, neutrones y neutrinos, las mismas partículas presentes poco después del Big Bang. Si el agujero se evapora, ¿se han ido? Si es así, ¿eso significa que las partículas se pueden aniquilar sin su contraparte de antimateria?

Vea la paradoja de la información.
Nada escapa del interior del horizonte de sucesos. La radiación de Hawking se emite desde fuera del horizonte de sucesos. Nada dentro del horizonte puede afectar nada fuera del horizonte. Ver physics.stackexchange.com/a/252236/123208
@PM2Ring ¡Oye, ahí estás de nuevo! Pero, ¿dónde se habrá ido toda la materia después de la evaporación? ¿Cómo puede la materia, sin antimateria, desaparecer de la escena?
@MrQ ¿Se trata de materia-antimateria? No entiendo cómo las soluciones de energía negativa pueden aniquilar los quarks y los leptones o cualquier partícula que haya dentro.
¿Por qué deberías necesitar antimateria para hacer fotones? La radiación de Hawking no se debe a la aniquilación; está relacionado con el efecto Unruh.
@JG simplemente no entiendo cómo un espacio que contiene partículas (por lo que no hay antipartículas) ya no las contiene después de la evaporación.
Supongo que todo se reduce a si los agujeros negros conservan el número de bariones, el número de leptones, etc., lo cual dice que no, aunque admito que la afirmación necesita una cita.
@JGHmmm... El enlace dice: "Supongamos que dos agujeros negros tienen las mismas masas, cargas eléctricas y momentos angulares, pero el primer agujero negro se formó colapsando materia ordinaria mientras que el segundo estaba hecho de antimateria; sin embargo, entonces el la conjetura establece que serán completamente indistinguibles para un observador fuera del horizonte de eventos". Pero si uno tiene carga positiva, ¿el otro no tendrá carga negativa? Entonces puedes distinguir?
@JGO, por supuesto, no puedes diferenciar un agujero negro de un agujero de antimateria. Pero antes podías. ¿Qué pasa si dos chocan?
El agujero negro se hizo a partir de materia ordinaria, pero el vacío fuera del horizonte de sucesos está experimentando una creación y aniquilación espontánea de partículas. Cuando intenta sondear el agujero negro con algún campo de materia débil (como un campo escalar, electromagnético, etc.) en su estado de vacío, vemos que el campo de materia saliente ya no está en su estado de vacío. La interpretación es que el BH está liberando energía que es absorbida por el campo de materia en el proceso de dispersión.
@Felicia vea la respuesta del usuario 566 aquí physics.stackexchange.com/questions/7290/…
@JG "¿Por qué deberías necesitar antimateria para hacer fotones?" Los fotones también se crean en el horizonte, desde la parte virtual del campo de fotones. Sus aportes de energía negativa no tienen influencia aunque sobre los electrones que forman parte del interior. Eso es lo que sólo pueden hacer las soluciones de positrones negativos. ¿Solo caen positrones de energía negativa?

Respuestas (5)

La radiación de Hawking no se presenta únicamente en forma de fotones. Fermiones, escalares, otras partículas de spin-1 e incluso gravitones también contribuyen (por ejemplo, consulte https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269311001559 ). Entonces, los electrones y los positrones también se emiten a través de la radiación de Hawking.

El origen de los fotones emitidos durante la radiación de Hawking no es un proceso de aniquilación entre partículas y antipartículas. Más bien, la existencia del horizonte cambia la estructura del estado de vacío experimentado por un observador lejos del agujero negro (en relación con el aspecto que tendría el vacío sin un horizonte), de modo que el observador ve un baño térmico de partículas. El factor impulsor es el horizonte, no las interacciones entre partículas. Exactamente cómo sucede esto es difícil de explicar sin matemáticas.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .

¿Cómo puede la materia interna, compuesta de materia normal (por lo tanto, sin antimateria), transformarse solo en fotones?

En primer lugar, necesito hacer algunos descargos de responsabilidad. No tenemos una teoría de la gravedad cuántica (QG) que funcione completamente, por lo que no sabemos exactamente qué sucede con la materia cuando llega al núcleo de un agujero negro. Y no podemos estar seguros de que la radiación de Hawking sea real sin una teoría QG adecuada: los cálculos de Hawking implican una aproximación semiclásica que "aplica" correcciones cuánticas a las ecuaciones GR puramente clásicas, y necesitamos QG para justificar ese procedimiento.

Sin embargo, lo que sucede dentro de un agujero negro no es realmente relevante para el resto del universo. Como mencioné en un comentario, la materia y la energía dentro del horizonte de eventos (EH) no pueden afectar el universo exterior de ninguna manera. Todos los eventos en o dentro del EH están en el cono de luz futuro del observador y, por supuesto, los eventos deben estar en el cono de luz pasado para tener un efecto en el presente.

Como dije aquí , el campo gravitatorio de un agujero negro a veces se describe como un  "campo fósil" . Toda la materia y la energía que caen en el agujero negro modifican la curvatura del espacio-tiempo a medida que se acerca al horizonte de eventos. Y una vez que cruza el horizonte de eventos, ya no puede cambiar la curvatura del espacio-tiempo fuera del horizonte, por lo que esos cambios de curvatura se conservan (hasta que aparece algo más para agregar sus propios cambios de curvatura).

El mismo razonamiento se aplica a la carga electromagnética de la materia que cae y su efecto sobre el campo electromagnético en las proximidades del BH. No se aplica a las "cargas" nucleares fuertes o débiles porque esas interacciones tienen un rango finito; solo la gravitación y el electromagnetismo se conservan debido a su rango infinito. Esto da lugar al teorema sin pelo :

El teorema sin cabello establece que todas las soluciones de agujeros negros de las ecuaciones de gravitación y electromagnetismo de Einstein-Maxwell en relatividad general pueden caracterizarse completamente por solo tres parámetros clásicos observables externamente: masa, carga eléctrica y momento angular. — Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John Archibald (1973). Gravitación

El resultado se generalizó rápidamente a los casos de agujeros negros cargados o giratorios. Todavía no existe una prueba matemática rigurosa de un teorema general sin cabello, y los matemáticos se refieren a él como la conjetura sin cabello.

Entonces, cuando las partículas caen hacia un BH, "bombean" energía en la curvatura del espacio-tiempo y el campo EM del BH. No sabemos ni nos importa qué sucede con esas partículas una vez que cruzan el EH porque en nuestro marco eso siempre está en el futuro.

No es fácil obtener una imagen intuitiva de lo que sucede dentro y alrededor de un BH. Nuestras intuiciones no son muy buenas para lidiar con el espacio-tiempo curvo. ;) Pero aquí hay una situación análoga en el espacio-tiempo plano que puede ser útil.

Imagina que detonamos una bomba H en el lugar X al mediodía del martes. Si tratamos de medir la energía de la explosión del día anterior, no mediremos nada, no importa cuán cerca estemos de X, cuán grande sea la bomba o cuán sensibles sean nuestros instrumentos. La energía de la explosión simplemente no viaja hacia atrás en el tiempo.

De manera similar, la energía de los eventos dentro del EH tendría que viajar hacia atrás en el tiempo para afectar los eventos fuera del EH.

Debo mencionar que el EH depende del observador. El EH "oficial" en el radio de Schwarzschild es el horizonte del observador de Schwarzschild . Ese observador es el caso límite de un observador en caída libre hacia el BH con velocidad cero, por lo que están a una distancia infinita. El horizonte para cualquier observador en caída libre hacia un BH está siempre por debajo de él, hasta que llega a la singularidad. Esta relatividad de la ubicación del horizonte significa que diferentes observadores medirán diferentes números de partículas en las cercanías de la BH y, en última instancia, es lo que da lugar a la radiación de Hawking, como explica John Rennie aquí . Las matemáticas utilizadas para realizar los cálculos de radiación de Hawking implican la transformación de Bogoliubov , que está un poco por encima de mi nivel de pago. ;)

En resumen, la radiación de Hawking se produce a partir de la energía almacenada en el campo gravitacional y electromagnético alrededor del BH, y los tipos de partículas que originalmente causaron esas tensiones y tensiones en esos campos son irrelevantes.

Ahora, de acuerdo con el límite de Bekenstein , la entropía de un BH es proporcional al área de superficie del EH. Entonces, la información sobre las partículas que formaron el BH no se pierde exactamente, pero tampoco es exactamente accesible. Hasta donde yo sé, se supone que la radiación de Hawking es perfectamente térmica, por lo que no podemos decodificar esa información de la radiación de Hawking.

Por cierto, puede disfrutar jugando con la calculadora de radiación de Hawking . Hace algunas aproximaciones, pero en general es bastante bueno.

"la materia y la energía dentro del horizonte de eventos (EH) no pueden afectar el universo exterior de ninguna manera". ¿Qué es lo que produce el campo gravitacional alrededor del agujero negro (que parece afectar el universo exterior)?
@robjohn Fantasmas. ;) La curvatura del espacio-tiempo fuera del EH fue producida por la materia antes de cruzar el EH. En el marco de un observador distante, se necesita un tiempo infinito para que cualquier cosa alcance el horizonte. Entonces, para tales observadores, el agujero negro todavía está en proceso de formación. Tenga en cuenta que la solución de Schwarzschild (que es una solución de vacío) es solo un modelo aproximado a un agujero negro astrofísico real, y los agujeros negros reales tienden a tener mucho giro , lo que complica las cosas.
"No sabemos ni nos importa qué sucede con esas partículas una vez que cruzan el EH porque en nuestro marco eso siempre está en el futuro". Imagínese mientras se cae. La caída hacia el centro lleva poco tiempo (aproximadamente el radio de Schwarzschild dividido por c). Antes de llegar al centro, el agujero podría evaporarse. Habrá un espacio vacío nuevamente y te habrás ido, mientras que un observador lejano ve todo lo que sucede durante un largo tiempo. ¿Volverás a aparecer en el futuro? Quiero decir, ¿las partículas de las que estás hecho y que caen?
@Felicia No lo creo, porque casi toda la radiación de Hawking debe ser fotones, solo una pequeña fracción de la energía BH se emite como partículas con masa distinta de cero. Los electrones y positrones no se producen mucho hasta que la masa cae por debajo de ~ 4E-17 masas solares.
Si la ubicación del EH depende del observador, ¿realmente evita que la información se escape? Podría imaginar un escenario en el que un observador que cae y que todavía está fuera del EH clásico observa un evento dentro de él, porque dicho evento está fuera de donde observan que está el EH, y luego retransmite información sobre ese evento al mundo exterior.
@Skyler No. El EH del observador distante determina el límite de información para ese observador. No puede evitar eso teniendo un observador intermedio que actúe como relevo.
Es probable que la materia dentro del horizonte de eventos no afecte la curvatura del espacio-tiempo en el exterior porque los discos de acreción no parecen tener ninguna distorsión anómala cerca del horizonte de eventos.
@Dave El borde interior de un disco de acreción está a cierta distancia del horizonte de eventos. Para un Schwarzschild BH, el radio ISCO es 3 r s , pero puede acercarse para un Kerr BH. Sin embargo, como dije anteriormente, las cosas dentro del EH no pueden afectar el universo exterior porque los efectos no pueden propagarse hacia atrás en el tiempo.

Los agujeros negros son estados cuánticos peculiares pero de buena fe de una teoría cuántica de campos dada y, por lo tanto, se espera que respeten las leyes de conservación: conservación de carga, en particular. En una teoría de Einstein-Maxwell, si construyes un agujero negro arrojando solo partículas cargadas, tendría que irradiar esta carga. Se utilizó una variación de este razonamiento para llegar a la "conjetura de la gravedad débil", que establece aproximadamente que la gravedad es la fuerza más débil. Más precisamente, establece que en una teoría física con partículas cargadas acopladas a la gravedad, debe tener al menos una partícula con "más carga que masa" (en unidades adecuadas), ya que, de lo contrario, los agujeros negros cargados podrían irradiar toda la carga antes de evaporarse por completo.

Se cree que otras simetrías del modelo estándar, como el número de Baryon, el número de Lepton (que se relacionan con la asimetría de materia/antimateria) son solo aproximadas. Pero en las grandes teorías unificadas, BL (número bariónico menos leptónico) generalmente se considera conservado: esto constituiría una simetría global. Y, de hecho, en la gravedad cuántica, también se cree que no debería existir una simetría global, por un tipo similar de argumentos de evaporación de agujeros negros. Se ha dado una demostración rigurosa de esto en ciertos espacios-tiempos con condiciones límite tales que la gravedad cuántica es manejable allí (con constante cosmológica negativa), ver Harlow-Ooguri . Por lo tanto, deberían surgir efectos gravitacionales cuánticos para romper la simetría global BL en la escala de Planck (o antes).

Sin embargo, los agujeros negros clásicos obedecen a la conservación de la carga, sin la necesidad de invocar la mecánica cuántica en absoluto. El teorema del no-pelo tiene carga allí mismo como uno de los parámetros de volumen válidos. Eso es muy diferente de cosas como el número bariónico, que implicaría distinguir un agujero negro que se formó a partir del colapso estelar de uno que se formó debido a los geones o algún tipo de colapso exótico de radiación o lo que sea.
Se forma un agujero a partir de la materia. Toda esta materia desaparece después de la evaporación. En el horizonte, las partículas virtuales se vuelven reales. Los pares de partículas y antipartículas (tanto de materia como de calibre) se irradian y sus partes de energía negativa caen hacia el interior. Los estados de energía negativa de los positrones pueden aniquilar todos los electrones, tanto su masa como su carga. Pero, ¿qué sucede con los estados electrónicos de energía negativa? ¿Pueden aniquilar up-quarks (+2/3), o tal vez dos positrones (+2) aniquilando tres ups (también +2)?
@Felicia si lee las respuestas y los enlaces, el número de bariones, el número de leptones no son cantidades conservadas dentro del horizonte, en la comprensión actual de las teorías.

No sabemos

Nunca hemos visto un agujero negro de cerca. Los agujeros negros de los que estamos razonablemente seguros existen, están muy lejos.

La radiación de Hawking es una característica teórica de los agujeros negros muy pequeños. Los agujeros negros que creemos haber visto son muy grandes. Sus niveles de radiación de Hawking serían indetectables, incluso si estuviéramos de cerca.

Mientras tanto, tenemos teorías. El problema es que tenemos muchas de esas teorías y no encajan entre sí. En particular, la relatividad general y la mecánica cuántica no se hablan en absoluto.

La relatividad general es nuestra mejor teoría para la gravedad fuerte. La mecánica cuántica es nuestra mejor teoría para el comportamiento de las partículas elementales. Ambos son importantes para los agujeros negros y la radiación de Hawking.

Mientras no tengamos una teoría de trabajo que una los dos, no podemos decir que entendemos los agujeros negros en absoluto. Todo lo que decimos son conjeturas educadas en el mejor de los casos.

Las siguientes conjeturas no encajan:

  1. Los agujeros negros irradian y eventualmente perderán toda su masa debido a la radiación.
  2. Esta radiación no refleja las partículas utilizadas para hacer el agujero negro.
  3. Se conserva el número total de bariones y leptones.

Como dices, estas conjeturas no pueden ser ciertas al mismo tiempo.

La respuesta de picop establece que algunas personas creen que el número 3 es incorrecto, la conservación de bariones y leptones podría no ser absoluta.

Mi conjetura personal menos educada es que el número 2 es incorrecto, la radiación de Hawking reflejará las partículas utilizadas para crearla. Todo se conserva. Mi razonamiento es desde el punto de vista de cualquier partícula que cae, el agujero negro se evaporará antes de que la partícula alcance la singularidad, lo que significa que la singularidad nunca se formará en primer lugar.

Otra alternativa es la teoría del "universo bebé". Aquí, la masa recolectada por un agujero negro explotará como un Big Bang en un nuevo universo. Se podría argumentar que los bariones y leptones perdidos en nuestro universo se conservan en el nuevo universo.

Aquí hay dos dificultades para hacer que su conjetura funcione. (1) Asumiendo que podemos confiar en la relatividad general fuera del horizonte de sucesos, nadie fuera del agujero negro puede medir el número de bariones o leptones de un agujero negro, por el teorema sin pelo. La gravedad cuántica necesitaría ocultar mucha información dentro del BH. (2) En GR, la materia que cruza el horizonte de eventos de un agujero negro de masa solar alcanzará la singularidad en microsegundos, mientras que la escala de tiempo para evaporarse es mucho mayor que la edad actual del Universo. Es un gran pedido una teoría de la gravedad cuántica para reconciliar estas dos escalas de tiempo.
@Andrew " la materia que cruza el horizonte de eventos de un agujero negro de masa solar alcanzará la singularidad en microsegundos, mientras que la escala de tiempo para evaporarse es mucho mayor que la edad actual del Universo ": su objeción es incorrecta. En las coordenadas de un observador en caída libre, el agujero negro se evapora antes de cruzar el horizonte. Y en las coordenadas, en las que un agujero negro tarda más que la edad del universo en evaporarse, una materia que cae nunca cruza el horizonte. No hay nada que conciliar aquí para QG, porque GR ya concilia estas escalas de tiempo sin contradicción.
@safesphere Probablemente tenga razón en que los valores numéricos que utilicé no son directamente comparables. Sin embargo, no estoy convencido de que el punto aún no sea válido. ¿Tiene una referencia para este reclamo? En las coordenadas de un observador en caída libre, el agujero negro se evapora antes de cruzar el horizonte.
@Andrew, su objeción es correcta. La frase "las coordenadas de un observador en caída libre" es ambigua. No tiene un significado estándar, y si lo tuviera, probablemente sería algo así como las coordenadas de Gullstrand Painleve, donde su declaración es verdadera. Independientemente de las coordenadas utilizadas, existen líneas de mundo que alcanzan la singularidad después de un tiempo propio finito. Tales líneas del mundo no escaparán si el agujero negro se evapora.
@Dale Gracias. Eso es lo que pense. El comentario de Safesphere me hizo preguntarme si había algo que no había entendido sobre cómo se ve la evaporación de BH desde la perspectiva de un observador que cae.
@Andrew Hay una transformación directa no singular entre el tiempo propio de un observador en caída libre y el tiempo de Schwarzschild. Por lo tanto, puede calcular fácilmente que el agujero negro se evapora en un instante en el reloj de un observador en caída libre cuando alcanza el horizonte. Esto también es evidente sin ningún cálculo. Desde el exterior, se observa que el observador en caída libre está fuera del horizonte para siempre, es decir, hasta que el agujero negro se evapora. En GR, la física no depende de la elección de coordenadas. Si lo vemos afuera hasta que el agujero negro desaparezca, él ve lo mismo, solo que más rápido.
@safesphere No creo que resolvamos esto en un hilo de comentarios. Pero no entiendo cómo reconciliar sus declaraciones con otros resultados, como el diagrama de Penrose para un agujero negro que se evapora, donde claramente hay geodésicas temporales que caen y golpean la singularidad en un tiempo finito propio. Tampoco entiendo que sea posible tener "una transformación directa no singular entre el tiempo propio de un observador en caída libre y el tiempo de Schwarzschild", dado que el horizonte está en el tiempo infinito de Schwarzschild. Si tienes alguna referencia, me encantaría leerla.
Aquí está el diagrama de Penrose: researchgate.net/figure/…
@Andrew La transformación que mencioné es para el momento adecuado fuera del horizonte, obviamente. Los diagramas a los que te refieres son incorrectos. Consulte este documento a partir de la Figura 1 y en: arxiv.org/pdf/1907.04879.pdf - “ Dado que un boceto como este inherentemente no captura más información que las suposiciones puestas en su creación, es difícil aprender algo de dicho diagrama. ” - Los autores no afirman que su modelo sea correcto (y yo tampoco), pero demuestra que los diagramas convencionales están equivocados. No tenemos que resolver nada. Piénsalo y no des por hecho ningún reclamo.
@safesphere ¡Gracias por la referencia!

Un agujero negro no tiene carga eléctrica neta y el fotón tampoco la tiene Entonces la carga se conserva y no hay problema

¿Cómo pueden los agujeros negros evaporarse en fotones si no contienen antimateria?
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