¿Cuál es la energía de enlace de un agujero negro?

Las partículas pueden ser capaces de escapar de un agujero negro a través de un túnel cuántico, la posibilidad de que una partícula que se enfrenta a una barrera de energía no tenga suficiente energía para superarla, sin embargo, se supera al hacer un túnel a través de la barrera. Es un efecto de la mecánica cuántica que depende de la función de probabilidad de la partícula que se extiende a través del horizonte de sucesos del agujero negro, dándole alguna posibilidad, por pequeña que sea, de aparecer fuera del agujero negro. Como la barrera no se superaría en un sentido clásico, no hay ni una pequeña ni una gran cantidad de energía que pueda medirse, que yo sepa.

Sin embargo, la radiación de Hawking, que es una emisión de partículas provocada indirectamente por la gravitación del agujero negro, tiene una temperatura teórica y teóricamente se puede medir. Algunos investigadores han modelado la radiación de Hawking como una forma de tunelización cuántica, con el par partícula/antipartícula formándose dentro del horizonte de sucesos, y una de ellas tunelizándose hacia afuera. Otra explicación dice que el par surge fuera del horizonte de eventos debido a las fluctuaciones del vacío, y uno cae en el agujero negro con energía negativa hipotética (una forma exótica de energía que existe en teoría) mientras que el otro escapa con energía positiva. Ambas explicaciones requieren que el agujero negro pierda parte de su masa.

Si la radiación de Hawking es una forma de tunelización cuántica, entonces es posible que su temperatura sea una medida de la energía necesaria para separar la masa de un agujero negro (o una medida de la propia masa/energía separada). Este tipo de radiación ocurre muy lentamente y sería difícil de medir, aunque este documento afirma que un experimento logró cuantificar el espectro térmico de la radiación de Hawking: http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10701-014 -9778-0#página-1

Puede ser que la única forma de extraer masa de un agujero negro que no gira sea a través de procesos mecánicos cuánticos. Si te limitas a procesos relativistas y clásicos, independientemente de cuánta energía dirija al agujero negro, ninguna masa se escapa. Más bien, tal energía aumenta la masa del agujero negro que no gira. Entonces, la energía convencional puede no ser suficiente. Requiere túneles cuánticos o energía negativa exótica.

El proceso de Penrose teoriza que la masa/energía en forma de momento puede extraerse de un agujero negro en rotación, ya que la energía de rotación del agujero negro se encuentra fuera del horizonte de eventos en un área llamada ergosfera. Un objeto que ingresa a la ergosfera es arrastrado por la rotación del espacio-tiempo y se divide en dos, con una parte que cae a través del horizonte de eventos, pero la otra escapa con parte del impulso de rotación del agujero negro. Eventualmente, este proceso agotaría todo el impulso de rotación y el agujero negro dejaría de rotar, aunque permanecería como un agujero negro con un radio de Schwarzschild. Aquí hay un enlace a un artículo que parece una buena explicación de los procesos termodinámicos, tanto clásicos como cuánticos, que están involucrados en la formación y evaporación teórica de los agujeros negros:http://www.física.umd.edu/grt/taj/776b/lectures.pdf

Hasta donde yo sé, ningún valor en el universo físico observable es infinito, pero no sabemos:

1. Si el universo mismo es infinito o no

2. No sabemos qué hay dentro de un agujero negro, así que no creo que haya una respuesta definitiva a tu pregunta.

Esta es una pregunta complicada que abre muchas vías para una mayor discusión. No estoy seguro de que la pregunta, tal como la planteó, tenga una respuesta que le sea útil, así que responderé una pregunta relacionada que podría satisfacer su curiosidad: "¿Bajo qué circunstancias es posible extraer energía de un agujero negro? "

Recuerde, todo es energía, por lo que esto abarca su pregunta de "¿qué tan difícil es liberar partículas de un agujero negro?" Su pregunta original es difícil de responder porque no tenemos idea de qué sucede con las partículas una vez que caen en un agujero negro. Es muy posible que desaparezcan para siempre.

De hecho, la definición técnica de un agujero negro es una región del espacio-tiempo de la que nada puede escapar (más o menos, esa no es una definición completa, pero es lo suficientemente buena por ahora). Entonces, la respuesta ingenua a su pregunta es que la "energía de enlace" es "infinita", ya que nada puede escapar de un agujero negro.

Pero esa es una definición técnica y no encaja con lo que intuitivamente piensas que es un agujero negro. Lo que piensas que es un agujero negro podría describirse más simplemente como una singularidad de curvatura : un área del espacio-tiempo donde la curvatura se vuelve infinita (en realidad, esto es solo un tipo de singularidad, pero es suficiente por ahora: el punto es que si un montón de masa colapsa en un punto, como ocurre en la formación de lo que usted piensa como un "agujero negro", se forma una singularidad de curvatura).

Afortunadamente, existe un teorema importante en la relatividad general que conecta las singularidades y los agujeros negros. Desafortunadamente, este teorema no está probado (pero hay MUY buena evidencia para creer que es cierto). Este principio se conoce como la conjetura de la Censura Cósmica . En términos generales, la conjetura de la Censura Cósmica establece que "todas las singularidades están contenidas dentro de los agujeros negros", es decir, si la curvatura del espacio se vuelve demasiado fuerte (como sucedería cuando mucha materia colapsa en un espacio diminuto), cualquier cosa que venga lo suficientemente cerca de él nunca puede escapar.

Si la Censura Cósmica es cierta, entonces es relativamente fácil probar el teorema del aumento del área , también conocido como la segunda ley de la mecánica de los agujeros negros. Establece que el área del horizonte de eventos de un agujero negro solo puede aumentar; se deduce que un agujero negro nunca puede ser destruido por procesos clásicos. Esto se relaciona con su pregunta original: podría pensar en destruir un agujero negro bombeando suficiente energía para "desatar" todas las partículas en el interior, pero el teorema del aumento del área dice que eso es imposible.

Sin embargo, hay dos formas principales en que las cosas pueden recuperarse de un agujero negro, y las describiré brevemente ahora.

El proceso de Penrose permite extraer algo de energía de un agujero negro en rotación. Es posible disparar una partícula que tenga "energía negativa" y así recuperar algo de energía del agujero negro. De esta manera se puede extraer hasta ~20% de la masa-energía total del agujero negro. No estamos extrayendo partículas del agujero negro per se, pero estamos recuperando parte de su energía. Esto no viola la censura cósmica.

En la radiación de Hawking , todos los agujeros negros experimentan fluctuaciones cuánticas cerca del horizonte de sucesos que dan como resultado un flujo constante de radiación hacia el exterior. En el transcurso de muchos miles de millones de años, esto puede provocar la evaporación de un agujero negro. Dónde está esto con respecto a la censura cósmica es complicado: la censura cósmica es una teoría clásica y no tiene en cuenta los efectos cuánticos.

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