Cuando hablamos de evaporación de agujeros negros, ¿qué sucede exactamente?

¿Significa esto que a partir de algún momento el agujero negro dejará de ser un agujero negro porque no será lo suficientemente masivo?

No, una vez que se forma un agujero negro no hay vuelta atrás. Puede perder masa a través de la radiación de Hawking, pero (hasta donde sabemos) no puede dejar de ser un agujero negro hasta que no quede nada. No existe un límite de masa inferior teórico para un agujero negro. Existe la posibilidad de que, casi al final del proceso de evaporación, algún efecto cuántico cree un remanente estable, pero necesitamos una teoría adecuada de la Gravedad Cuántica (que une la Relatividad General con la teoría Cuántica) para responder preguntas como esa, y no lo hacemos. Todavía no tengo tal teoría.

Como explica el artículo de Wikipedia, la radiación de Hawking es un proceso muy lento para los agujeros negros con la masa de una estrella típica, y es muy frío, alrededor de una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto. Así que es muy difícil de observar, incluso si estuvieras cerca del agujero negro. La tasa de evaporación se vuelve más rápida y la temperatura aumenta a medida que la masa del agujero negro se hace más pequeña, pero actualmente el universo está demasiado caliente para que un agujero negro estelar aislado pierda masa: gana mucha más energía de la radiación de Fondo Cósmico de Microondas (CMB). que lo que emite como radiación de Hawking.

La radiación de Hawking es un proceso que siempre está ahí cuando tienes un horizonte de eventos. Con los agujeros negros, la fuerza de esta radiación es una función de su tamaño: cuanto más pesado es el agujero negro y, por lo tanto, cuanto más grande es el horizonte de sucesos, más fría es la radiación de Hawking.

Si bien la fuerza de la radiación de Hawking se aproxima a cero a medida que avanza hacia agujeros negros más grandes, en realidad nunca llega a ser cero. Entonces, en cierto sentido, los agujeros negros nunca son realmente negros . Siempre irradian un poco y siempre pierden peso lentamente debido a esa radiación.

Entonces, si aísla un agujero negro de cualquier radiación entrante, se encogerá lentamente y, al encogerse, se volverá más brillante, por lo que se encogerá más rápidamente en un proceso de autoamplificación. Esta autoamplificación es tan fuerte que cualquier agujero negro lo suficientemente pequeño pierde toda su masa en un tiempo finito.

Wikipedia dice:

Entonces, por ejemplo, un agujero negro de 1 segundo de vida tiene una masa de$2.28×10^5kg$, equivalente a una energía de$2.05×10^{22}J$que podría ser liberado por$5×10^6$megatones de TNT. La potencia inicial es$6.84×10^{21}W$.

Verá, un agujero negro pesado de 300 toneladas no es negro en absoluto . Decir que está al rojo vivo es quedarse corto. Es tan extremadamente brillante que solo ves una enorme explosión que supera con creces el poder destructivo de todas las ojivas nucleares del mundo juntas... ¡Y toda esta radiación proviene de un objeto de tamaño subatómico !

Entonces, sí, los agujeros negros dejan de ser negros a medida que se encogen. Su radiación de Hawking les da la apariencia de un objeto perfectamente negro, más o menos caliente. Los grandes agujeros negros son más fríos que el fondo cósmico de microondas y aparecen tan negros como podemos imaginar. Pero los agujeros negros más pequeños brillan con la radiación de Hawking. A medida que el agujero negro se encoge, este brillo va desde un brillo tenue y rojizo, sobre una luz blanca brillante, ultravioleta brutalmente brillante y rayos X mortalmente intensos hasta el brillo destructivo de una ojiva nuclear.

Pero todo el tiempo, es solo la radiación de Hawking lo que ves. La singularidad (o lo que sea que se encuentre dentro de un agujero negro) permanece envuelta detrás del horizonte de sucesos hasta que el agujero negro pierde toda su masa.

Primero, si ignoramos los efectos cuánticos como la radiación de Hawking, entonces no habría ningún límite para cuán pequeño puede ser un agujero negro. La relatividad general clásica permite soluciones de agujeros negros con masa arbitrariamente pequeña$M>0$, y el radio de Schwarzschild correspondiente (para un agujero negro que no gira, que es el caso más simple) es$R=2GM/c^2$. si tomamos$M$ser la masa de la tierra, entonces$R$sale a ser aproximadamente un centímetro. si tomamos$M$ser la masa de una gran montaña, entonces$R$resulta ser menor que el radio de un átomo (pero mayor que el radio de un protón). Aunque es pequeño, sigue siendo un agujero negro, al menos si ignoramos los efectos cuánticos como la radiación de Hawking.

Aún no se comprende exactamente cómo los efectos cuánticos cambian esta imagen, por lo que no creo que podamos decir definitivamente cuándo un agujero negro que se evapora deja de ser un agujero negro. Sin embargo, tenemos buenas razones para pensar que la relatividad general clásica seguirá siendo una buena aproximación a la geometría del espacio-tiempo mientras la masa del agujero negro sea mucho mayor que la masa de Planck.$\sqrt{\hbar c/G}$, que es una pequeña fracción de un miligramo. En particular, tenemos buenas razones para estar seguros de que un agujero negro en evaporación que comienza con una masa estelar típica (o mayor) seguirá siendo un agujero negro después de que se reduzca a proporciones de masa terrestre, y presumiblemente incluso después de que se reduzca a una montaña. proporciones de masa (subatómicas).

(Tenga en cuenta que esto llevaría mucho, mucho más tiempo que la edad actual del universo).

Esta respuesta se basa en una mezcla artificial de dos teorías diferentes, la relatividad general clásica y la física cuántica, que aún no sabemos cómo combinar. Tenemos buenas razones para pensar que en algún momento, donde tanto los efectos cuánticos como los de la relatividad general tengan magnitudes en competencia, el concepto clásico de espacio-tiempo de alguna manera se derrumbará. Esto debe ocurrir al menos cerca de la "singularidad" que predice la relatividad general clásica dentro de un agujero negro, y para la totalidad de cualquier agujero negro que no sea mucho más grande que la masa de Planck. Todavía no se sabe exactamente qué sucede en esas condiciones. Sin embargo, siempre que solo consideremos situaciones que no sean tan extremas, es razonable basar las respuestas en la "mezcla artificial de dos teorías diferentes". Razonable no significa necesariamente correcto...