¿Por qué se dice que un agujero negro es masivo? [duplicar]

Como dices, los fotones no tienen masa en reposo , por lo que su energía en reposo es cero. Sin embargo, los fotones tienen impulso.$p$, lo que significa que tienen energía$E = hc/\lambda = p/c$(usando la relación de de Broglie) donde$c$es la velocidad de la luz. En la relatividad especial, no hay gravedad y las partículas sin masa, es decir, los fotones, viajan a lo largo de geodésicas nulas , que definen el cono de luz para cada evento en el espacio-tiempo. La Relatividad General (GR) subsume la relatividad especial a través de la equivalencia de la inercia y la gravedad, ya que la ecuación de caída libre es la ecuación geodésica . La luz sigue viajando a lo largo de geodésicas nulas, pero estas trayectorias se " doblan " en presencia de la gravedad. Por ejemplo, medir la curvatura de la luz del sol alrededor de la luna durante un eclipse solar fue una de las primeras validaciones experimentales de las predicciones de GR.

Un agujero negro (BH) es una predicción de GR, es decir, un BH es una solución a las ecuaciones de campo de Einstein. Los BH no giratorios y eléctricamente neutros se modelan (exclusivamente) mediante la solución de Schwarzschild , que supone que el espacio-tiempo está vacío y tiene simetría esférica; esta simetría impone una singularidad física en$r = 0$dónde$r$es la coordenada radial de Schwarzschild, parametrizada por una cantidad$m$situado en$r = 0$llamada la masa del BH.

Decir que "un agujero negro es donde la luz no puede escapar" es, creo, demasiado simplista. Quizás una mejor descripción de la rareza de los BH: considere dos observadores, A está en el infinito (muy lejos) viendo a B caer radialmente hacia un BH. Desde la perspectiva de B, B simplemente cae en BH después de pasar el horizonte de eventos (la superficie en la que la velocidad de escape es igual a la velocidad de la luz en el vacío).$c$). El observador A nunca ve a B pasar el horizonte de eventos, porque a medida que B se mueve desde el horizonte hacia la singularidad física en$r = 0$se necesita una cantidad infinita de tiempo para que la información escape desde dentro del horizonte. Por lo tanto, el observador A ve que el observador B tarda una cantidad infinita de tiempo en pasar el horizonte de eventos del BH, aunque B ya haya pasado el horizonte de eventos. Este es un ejemplo de pérdida de simultaneidad , que encuentra en la introducción a la relatividad especial antes de estudiar los BH. No es una ilusión: es una diferencia física real en la capacidad de medir eventos debido a la presencia de la gravedad y el movimiento relativo.

Por lo tanto, si el observador B cae mientras dirige una linterna hacia el observador A, luego de que B pase el horizonte de eventos, la luz se desplazará infinitamente hacia el rojo en relación con A. Esto es lo que Hawking quiere decir con "ni siquiera la luz puede escapar" del horizonte de eventos de BHs. - la luz de B se estira infinitamente en longitud de onda en el horizonte de sucesos (la superficie en la que la velocidad de escape de BH es igual a la velocidad de la luz) en relación con A. Otra forma de decirlo :

Desde la perspectiva de un observador estacionado fuera del agujero (y a salvo, esperamos), la Relatividad General enseña que un reloj que cae en el agujero parecerá ir más y más lento a medida que se acerca al horizonte de sucesos. El tiempo entre cada "tick" (medido por un reloj local para el observador) aumentará sin límite, acercándose al infinito a medida que el reloj se acerca al horizonte de eventos. El "último tictac" antes de que el reloj caiga en el agujero nunca se observará en un tiempo finito. El reloj siempre aparecerá dentro del universo conocido y fuera del agujero.

La noción de "hacer un agujero en el espacio-tiempo" es diferente de un agujero negro, por ejemplo, vea la respuesta de J. Rennie aquí . Se puede pensar en un agujero negro como una región del espacio donde la densidad es infinita: es decir, para una masa finita, el volumen tiende a cero. Pero incluso esta visión simple se complica cuando uno comienza a examinar las soluciones BH de las EFE.

Las masas de BH han sido restringidas experimentalmente por observaciones de flujos de acreción en binarios de rayos X con BH de masa estelar y por detecciones de ondas gravitacionales de fusiones de BH binarios de masa estelar ($5 \lesssim m \lesssim 100 M_{\odot}$), y por núcleos galácticos activos alimentados por acreción y dinámicamente a través de efectos en estrellas cercanas y gas de BH supermasivos ($10^5 \lesssim m \lesssim 10^9 M_{\odot}$). Este es un buen gráfico. La primera detección confiable de un BH de masa intermedia, llamada GW190521 , se logró recientemente mediante la detección de ondas gravitacionales LIGO/Virgo. Los agujeros negros de masa estelar se forman como productos finales de la evolución estelar, mientras que el origen de los agujeros negros supermasivos es menos seguro, pero se cree que se originan a partir de "semillas". Se espera que estos BH astrofísicos, por varias razones, tengan giro y se modelan como Kerr BH.