¿Por qué los físicos confían en la física de los agujeros negros?

Al principio, a mucha gente no le importaban mucho los agujeros negros. Pero personas posteriores demostraron que eran características bastante inevitables de la teoría de la relatividad general y que la teoría hacía otras predicciones bastante precisas que se probaron y resultaron correctas.

Entonces, cuando te dicen que se requieren agujeros negros si tienes GR y GR parece el mejor juego de la ciudad, entonces se vuelve menos molesto.

Pero hay más Tener una teoría clásica detallada de los agujeros negros da límites al tamaño de las estrellas de neutrones, y vemos estrellas de neutrones. Entonces puede buscar estrellas de neutrones, buscar evidencia de su masa y ahora, si ve una que es demasiado grande, puede refutar GR. Entonces la gente mira. Y GR vuelve a ganar.

Y eventualmente comenzamos a ver objetos que se comportan como esperamos que se comporte un agujero negro. Entonces tiene sentido referirse a las cosas como agujeros negros. Porque son lo suficientemente parecidos a ellos como para que las teorías sobre los agujeros negros puedan funcionar.

Todavía haces una línea entre lo que se ha observado y lo que no. Y la radiación de Hawking está del lado equivocado. Pero si alguien habla de la radiación de Hawking con certeza, probablemente esté tratando de explicar las predicciones de una teoría conocida en lugar de un hecho confirmado experimentalmente. Pero siempre es importante distinguir entre resultados nuevos y resultados conocidos, por lo que la certeza aparente es probablemente un intento de decir "No estoy diciendo algo nuevo" y simplemente sale mal.

... ¿por qué confiamos en la física de los agujeros negros? ... (física que se deriva de la combinación de la mecánica cuántica y GR, como la radiación de Hawking, cosas relacionadas con la paradoja de la información, etc.)

Formalmente, no hay una razón para hacerlo porque aún no hemos observado estas cosas. Pero eso también está perfectamente bien porque así es como funciona la ciencia a veces: tenemos una teoría que hace predicciones, luego probamos esas predicciones.

Tenemos un marco teórico, la relatividad general, que funciona bastante bien en todas las pruebas hasta el momento . Dado que los agujeros negros son una solución a las ecuaciones de campo de Einstein (EFE) y tenemos evidencia de agujeros negros (ver más abajo), entonces existe la expectativa de que la física alrededor/cerca del horizonte de eventos descrito por GR también se mantiene.

Así que no sabemos realmente si existe realmente un horizonte de sucesos, pero creemos que sí porque las soluciones al EFE muestran que debería y hemos observado BH. Esperemos que el Event Horizon Telescope nos muestre pronto el horizonte de eventos de Sgr A*.

Tampoco sabemos que los BH se someten a la radiación de Hawking, pero dado que también se sigue de la aplicación de QM (también bastante bien probado) lo suficientemente lejos del BH, los efectos gravitatorios cuánticos deberían ser insignificantes y uno puede usar QFT en espacio-tiempo curvo , uno puede razonablemente espere que un BH también se someta a la radiación de Hawking. Con suerte , Fermi-LAT puede detectar la evaporación de agujeros negros primordiales durante su vida útil (actualmente compatible hasta 2018)

...Me gustaría entender por qué en ausencia de evidencia directa...

Tenga en cuenta que tenemos evidencia de agujeros negros. La imagen de abajo es un mapa de las órbitas de algunas de las 28 estrellas rastreadas durante un período de 16 años en el interior de nuestra galaxia. Las órbitas tienen menos de 100 UA (aproximadamente la órbita de Plutón) y se desplazan a unos 1000 km/s (en comparación con los 4 km/s de Plutón).

( fuente )

Sabemos que la velocidad orbital de un objeto está relacionada con la masa del atractor; dado que estas 28 estrellas están todas orbitando el mismo punto, el atractor es más o menos el punto muerto de la galaxia (de hecho, es estacionario a ~1 km/s ). Un estudio de 2009, Gillessen et al (ApJ 692) , ha demostrado que las estrellas requieren que la masa del objeto interior sea de aproximadamente 4 millones de masas solares .$\sim8\times10^{39}\,\rm g$. Las observaciones del propio Sgr A* sugieren que su radio es inferior a 1 UA. Un objeto tan masivo en un espacio tan pequeño es más allá de toda duda razonable, un agujero negro supermasivo .

Sobre la evidencia que respalda la existencia de Event Horizons en estos objetos muy compactos, aquí hay algunas noticias del conocido Cygnus X-1, uno de los objetos compactos más estudiados y el candidato más prometedor para un agujero negro de colapso estelar:

... la evidencia de tal horizonte de eventos puede haber sido detectada en 1992 utilizando observaciones ultravioleta (UV) con el fotómetro de alta velocidad en el telescopio espacial Hubble. A medida que los cúmulos de materia autoluminosos entran en espiral en un agujero negro, su radiación se emitirá en una serie de pulsos que están sujetos a un desplazamiento al rojo gravitacional a medida que el material se acerca al horizonte. Es decir, las longitudes de onda de la radiación aumentarán constantemente, como predice la Relatividad General. La materia que golpea un objeto sólido y compacto emitiría un estallido final de energía, mientras que el material que pasa a través de un horizonte de sucesos no lo haría. Se observaron dos de estos "trenes de pulsos moribundos", lo que es consistente con la existencia de un agujero negro.

¿Fuente? simplemente bueno viejo wiki... https://en.wikipedia.org/wiki/Cygnus_X-1#Compact_object

En cuanto al resto de sus preguntas, todas pueden ser respondidas de la siguiente manera. Las teorías físicas tienen una propiedad llamada rango de validez . Básicamente, este rango de validez corresponde al rango en los valores de las magnitudes involucradas en la teoría en el que estamos seguros de que la teoría es correcta. En general, por dos cosas: 1) la corrección se ha establecido empíricamente; 2) las teorías más fundamentales en realidad predicen que las correcciones o desviaciones también predichas por ellas se vuelven insignificantes en estas escalas (o, si aún no tenemos las teorías, algunas otras consideraciones teóricas proporcionan los argumentos).

En este sentido, es por eso que confiamos en la gravedad newtoniana para los cálculos orbitales básicos, es por eso que confiamos en la mecánica newtoniana para, digamos, la dinámica de fluidos básica, etc.

La Teoría Cuántica de Campos (QFT) en fondos curvos es una teoría que asume que estamos trabajando en el dominio en el que la GR clásica describe bien la gravedad (como en las proximidades del horizonte de eventos de una masa estelar o un agujero negro supermasivo). Bajo ese supuesto, hacemos QFT en este marco. No debería haber nada sospechoso en eso en la medida en que no hagamos extrapolaciones injustificadas al régimen en el que sabemos que nuestra suposición inicial es insostenible (como, por ejemplo, en la singularidad en el centro del agujero negro). Finalmente, dado que se cree que ambas teorías funcionan bien en ese régimen (es decir, no se producen modificaciones drásticas de sus principios básicos; puede haber algunas modificaciones menores, por ejemplo, en realidad usamos una reformulación general de QFT para un fondo curvo general, esto está cubierto por el enfoque algebraico), entonces confiamos en las conclusiones. Por supuesto, estas conclusiones tienen que ser contrastadas con experimentos. Y en realidad estamos tratando de hacer precisamente esto. ¡La cosa es que no es tan fácil de hacer!

La relatividad general (GR) resultó ser una gran teoría matemáticamente hermosa con predicciones/observaciones experimentales asombrosamente precisas (p. ej., curvatura de la luz, precesión de Mercurio, etc.). Esta teoría proporciona naturalmente algunas soluciones simples que se denominan agujeros negros. En ese sentido, uno debería tomarlos en serio ya que provienen de una teoría firmemente "establecida".

Sí, GR no es compatible con la mecánica cuántica. Este es, por supuesto, un tema muy profundo. Pero sabemos que se puede tomar el límite clásico de una teoría cuántica. Este límite es la escala espacial y temporal de nuestro "día a día". El cálculo de Hawking está en el mismo espíritu. De hecho, cuantizó algunos campos de materia en un fondo clásico. Este es algún tipo de "límite clásico" (en realidad llamado gravedad semiclásica ). Hasta ahora no conocemos la teoría cuántica completa de la gravedad, pero cualquiera que sea esa teoría, debería reproducir este resultado de Hawking en este límite. En ese sentido, la radiación de Hawking es muy robusta.

Por cierto, existe una fuerte evidencia de agujeros negros astrofísicos (como BH supermasivos, etc.). ¡Puedes buscarlos en Internet tú mismo!

Sería negligente no agregar una respuesta actualizada a la pregunta anterior. En septiembre de 2015, LIGO detectó una fusión binaria de agujeros negros . La señal coincide maravillosamente con la señal esperada según lo predicho por simulaciones numéricas usando la Relatividad General. Esta es una evidencia muy convincente de la existencia de agujeros negros de masa estelar.

Con respecto a sus preocupaciones sobre el horizonte de eventos:

No hay evidencia experimental directa de horizontes de eventos.

No estoy siendo un experto en relatividad general numérica, pero presumiblemente en el modelado de fusiones de agujeros negros, deben manejar la realidad de los horizontes de eventos y la información que permite. Esta es una fuerte confirmación de la física de los agujeros negros según lo predicho por la Relatividad General.

EDITAR :

Abordando el artículo 5 en la pregunta del OP. A partir de 2019, el horizonte de eventos del agujero negro supermasivo de M87 se ha observado utilizando el telescopio Event Horizon.

Claramente, este campo de la astronomía está cambiando rápidamente.