¿Qué sucede con la información cuando los agujeros negros se fusionan?

Intentaré responder a esta pregunta correctamente --- pero la respuesta correcta es difícil porque no tenemos una solución exacta para fusionar agujeros negros, excepto en el caso en que uno de los dos sea de tamaño infinito. Tampoco tenemos una resolución completa del problema del horizonte de Cauchy en los agujeros negros.

La respuesta clásica, desde un punto de vista físico, es que los horizontes de los agujeros negros se fusionan, y cualquier observador en el interior de un agujero negro hará lo que hace normalmente, sin notar nada de la fusión, porque su tiempo apunta en un dirección diferente, hacia el centro. El problema con esta respuesta es que requiere una respuesta a la pregunta de qué hay en el centro de un agujero negro: una singularidad similar al espacio que se lo traga todo (como conjeturó Penrose), o un par de horizontes de Cauchy similar a un agujero de gusano que lleva al observador a dar la vuelta y salir del mismo agujero negro (lo que personalmente creo). De manera realista, solo podría salir de un agujero negro giratorio o cargado, incluso si Penrose está equivocado y yo tengo razón. Debo señalar que absolutamente nadie en el mundo está de acuerdo conmigo en esto, pero no tienen ningún argumento real. Pero eso no significa nada, siempre es así cuando sugieres algo nuevo.

Para un agujero negro neutral, seguramente golpeará el centro singular --- no hay un horizonte de Cauchy, o más bien, se reduce a un punto degenerado.

La cuestión de salir del agujero negro complica la respuesta, porque podrías salir dentro de un agujero negro más grande, en el que cayó el agujero negro original durante el tiempo intermedio. No hay forma de responder a esta pregunta sin saber cómo salen las cosas, así que de ahora en adelante fingiré que esto es imposible, que no puedes salir de un agujero negro. La razón es que no tengo idea de cuánto tiempo pasas dentro de un agujero negro del que sales, y a veces tendrías que salir antimateria y zurdo (si normalmente eres diestro).

De todos modos, ignorando esto, los agujeros negros se tragan a los observadores que mueren independientemente de lo que suceda después con el agujero negro. Los agujeros negros que se acercan se fusionan, pero el interior de cada uno se mezcla con la superficie del nuevo agujero negro que se forma, como pompas de jabón que chocan entre sí en una región de alta presión. Físicamente, los horizontes de los agujeros negros se unen para formar un nuevo horizonte, pero el proceso de conexión no es realizable clásicamente (se necesita un tiempo infinito para que cada agujero negro caiga dentro del otro, desde el punto de vista exterior).

Físicamente todo esto no importa --- los agujeros negros se fusionan en uno como pompas de jabón fusionándose. La fusión de las pompas de jabón también es discontinua desde una descripción continua de longitud de onda larga.

Preservar la discusión sobre la respuesta aceptada.

Esta discusión fue interesante y tal vez útil para ver de dónde viene esta idea de rotar las emisiones de BH, y que no es la física convencional (o al menos no todavía).

RM: Haces algunas afirmaciones no bien fundamentadas que creo que son falsas: 1. Un observador alcanzará una singularidad 2. La singularidad de otro agujero negro puede llegar primero al observador. El número 1 solo es correcto para agujeros negros que no giran y no están perturbados, y cuando un agujero negro cae dentro de otro, solo sé cómo modelar exactamente la solución interior en el límite de que el gran agujero negro es infinito. El observador podría simplemente rebotar fuera del primer agujero negro, atravesando un horizonte de Cauchy hasta la lámina saliente. En cuanto a 2, es holográficamente sospechoso. Esto huele a pregunta abierta.

AB: Puede que me equivoque en alguna parte, por supuesto, pero permítame no estar de acuerdo con su comentario: 1) Incluso para los agujeros negros perturbados y giratorios (astrofísicos), un observador alcanzará la singularidad tarde o temprano, a menos que el observador sea expulsado durante la fusión. +No tiene nada que ver con tu habilidad para modelar la solución interior. 2) Imagina que envías a un observador para que caiga en un agujero negro 1 desde una posición estática, y lanzas justo después de él un agujero negro número 2 que se mueve relativistamente, de modo que esté sintonizado para alcanzar al observador cuando cruce el horizonte del agujero negro 1. No veo trampa aquí.

... Sin embargo, me parece muy interesante la pregunta que has planteado. ¿Cuánto sabes sobre la posibilidad de que un observador salga de un horizonte de eventos a través de cualquier proceso, como colisiones de agujeros negros o lo que sea? Tal vez usted tiene alguna referencia sobre eso?

RM: No hay evidencia de que los observadores puedan alcanzar una singularidad fuera de la solución de Schwartschild esféricamente simétrica perfecta (que desafortunadamente se presenta como el caso genérico en los libros). Cuando un agujero negro es perturbado, si está rotando o cargado, quizás también cuando es deformado por un fuerte campo gravitatorio, la singularidad central se convierte en un horizonte de Cauchy que rodea una singularidad temporal. Un observador no puede golpear una singularidad temporal, el observador simplemente rebota más allá del horizonte de Cauchy (con fuerzas de marea, por supuesto), da la vuelta y vuelve a salir.

... El problema es que las partes del horizonte de Cauchy son inestables a las deformaciones que caen, y generalmente hay mucha suciedad en el horizonte de Cauchy que forma una pared de radiación dura en el límite de una pared negra eterna. Algunas personas (refiriéndose a Penrose) especulan que esto significa que no puedes cruzar un horizonte de Cauchy. Si esta especulación es correcta (estoy bastante seguro de que no lo es), entonces todo chocará con una singularidad en un agujero negro real. Que esta especulación sea correcta o no depende de los detalles de la gravedad clásica y cuántica.

... La cuestión clásica es exactamente cuán singular es el horizonte de Cauchy. De los documentos que he visto, y mi propia intuición, el horizonte de Cauchy no es terriblemente singular, es como un paso potencial repentino en la mecánica cuántica del tiempo. Excitará el sistema que cae, creará algunas antipartículas, pero no a energía infinita, y es posible que puedas sobrevivir. Esto está respaldado por la observación de que en un universo vacío, el horizonte de Cauchy es completamente regular, no hay problema para cruzarlo.

Una vez que cruzas Cauchy 1, estás en la región central, donde ves una singularidad temporal. No puedes alcanzar esta singularidad temporal, porque te aleja, pero puedes iluminarla. Luego cruzas un segundo horizonte de Cauchy, y terminas en la región pasada de un agujero negro muy similar al que caíste, y luego eres expulsado. Este ciclo es más pronunciado en el caso extremo, donde puedes hacer que las cosas se unan a un agujero negro y hacer un movimiento armónico simple entrando y saliendo una y otra vez.

... La razón por la que se necesita la gravedad cuántica para dar sentido a esto es que, clásicamente, la región de salida está desconectada de la región de entrada --- son universos separados. En la década de 1970, la gente especuló que el agujero negro se vincula con otro universo por este motivo. Pero sabemos mejor hoy --- el único lugar donde puedes salir, si esta historia es correcta, es en este universo. Pero esto requiere un mapa pegado que identifique el otro universo con este universo, y este mapa pegado es muy difícil de descifrar (lo intenté y nunca obtuve una respuesta sensata en la que confiar).

... Usted preguntó acerca de las referencias --- desafortunadamente no tengo referencias, esto es algo en lo que he estado pensando. Lo más parecido a un argumento en la literatura es que si haces una pila de D-branas, deslizas una hacia afuera y la empujas para que caiga sobre las otras, debería oscilar de un lado a otro de manera reversible. Desafortunadamente, la única referencia bibliográfica que conozco es un artículo de Gubser, que creo que es incorrecto y el argumento que da no me convence lo suficiente, que dice que la brana no oscilará de manera reversible, sino que quedará atrapada en la pila.

PD: Hay algo mal con esta respuesta. Considere la frase "1) El observador puede sentir la colisión, siempre que aún no haya alcanzado la singularidad del agujero negro de origen". Dado que, desde el punto de vista de un observador fuera del agujero negro, el observador que cae nunca llega más allá del horizonte de eventos, su cláusula "siempre" es nula. – Peter Shor 22 de marzo a las 11:07

AB(@PS): lo siento, pero está estrictamente equivocado aquí, o yo/usted no ha sido claro. Llamemos observador 1 al que está cayendo en un agujero negro y observador 2 al que está alejado. El hecho de que el observador 2 nunca vea al observador 1 cruzar el horizonte no implica en absoluto que el observador 1 no experimentará cruzar el horizonte o chocar con la singularidad. El observador 1 puede experimentar 1) cruzar el horizonte de eventos, 2) golpear la singularidad, 3) sentir el campo de marea de otro agujero negro intruso. Es estricto, definido y me refiero a libros de texto clásicos sobre GR, digamos MTW.

AB: Disfruté mucho leyendo tu comentario y gracias por compartir tus ideas. Sin embargo, creo que la física más relevante para la pregunta es la que se refiere a los agujeros negros astrofísicos en la relatividad general clásica. ¿Por qué no cuántica? Todavía no se ha establecido. ¿Por qué astrofísico? Porque son el único tipo de agujero negro que se sabe que se forman en el universo según la física conocida. Pasaré por un par de puntos en los que no puedo estar de acuerdo contigo en los comentarios que siguen.

... 1) Los agujeros negros astrofísicos se forman por un colapso gravitacional. No contienen agujeros de gusano y su formación no cambia la topología del espacio-tiempo. Si un observador desafortunado se encuentra dentro del horizonte de eventos de un agujero negro de este tipo, no puede escapar de él de ninguna otra manera que no sea simplemente cruzando el horizonte hacia atrás, lo que es imposible para los agujeros negros estacionarios.

...1.1) La pregunta que te hice es si realmente sabes lo siguiente. Dado que un observador ha cruzado un horizonte de eventos de cualquier agujero negro astrofísico (más BH), posiblemente no estacionario, ¿puede el observador escapar de él, bajo cualquier proceso, aún en la imagen GR?

...2) Se sabe que todos los BH perturbados, incluidos los giratorios, se asientan emitiendo radiación gravitatoria. Esto está respaldado por la teoría de perturbaciones y la relatividad numérica. Si agrega un observador, considerándolo como una perturbación, el sistema se establecerá al final y, por lo tanto, el observador se volverá estático y se absorberá en la solución del agujero negro, por lo tanto, se encontrará en una singularidad.

AB: Peter, definitivamente tienes razón aquí, probablemente la secuencia de tiempo podría hacerse con más cuidado. Sin embargo, toda la descripción puede reducirse a lo que verá el observador 1, en una secuencia, y lo que verá el observador 2. Para el observador 1, la secuencia sigue siendo válida: cae en el pequeño agujero negro y comienza a sentir el campo de marea de otro agujero negro justo después de cruzar el horizonte, y luego experimenta que lo golpea.

RM: Los comentarios que hiciste son superficialmente convincentes, pero hoy se sabe que están equivocados. Los agujeros negros giratorios, que se forman astrofísicamente, se asientan sin duda en un estado de agujero de gusano. El hecho de que el horizonte, en la formación, sea un horizonte pasado puro es irrelevante. Hoy sabemos que los horizontes pasados ​​y los horizontes futuros son duales cuánticamente, y que el hecho de que un diagrama de Penrose diga que las cosas solo pueden entrar no significa que otro diagrama de Penrose igualmente válido solo pueda tener cosas que salgan. Este es un cambio en la imagen clásica debido a la complementariedad de Susskind.

AB: Gracias de nuevo por tu comentario, lo reflexionaré. ¿Puede darme una referencia a un trabajo de investigación que muestre que los agujeros negros astrofísicos giratorios de la relatividad general clásica se asientan en estados de agujero de gusano?

RM: No uso la autoridad para apoyar mis posiciones, pero puedo explicar por qué. La forma de ver esto es observar la estructura global de la solución de Kerr, que se desarrolló en Hawking y Ellis. Es cualitativamente idéntico a la solución mucho más simple de Reissner Nordstrom y, a menos que declare que el horizonte de Cauchy es demasiado singular para pasar, crea un agujero de gusano en otro universo desconectado. La única solución libre de agujeros de gusano es el Schwartschild, porque es demasiado simétrico. El agujero de gusano a otro universo no tiene sentido, hace que se pierda información, por lo que necesita pegarlo. – Ron Maimon 23 de marzo a las 18:42

... Creo, al leer sus comentarios, que tiene la impresión de que las soluciones de los agujeros negros tienen una singularidad que absorbe la materia --- esto es lo que dice la gente en los libros populares, pero es absolutamente falso. Solo los agujeros negros de Schwartschild sin carga y sin rotación tienen una singularidad similar al espacio con la que puedes golpear. No existe una única solución genérica de agujero negro con una singularidad similar al espacio. La singularidad espacial es solo un artefacto de simetría esférica. Las singularidades genéricas de Penrose son temporales.

AB: Querido Ron, ¿es correcto decir que, según Hawking y Ellis (uno de los mejores libros sobre GR, en realidad) en su libro, todos los agujeros negros giratorios sin carga, formados por el colapso gravitacional de la materia ordinaria, siempre forman también un ¿singularidad de agujero de gusano?

... Siento una gran afinidad con su posición de ser crítico con las fuentes científicas, como los artículos científicos, por ejemplo. Sin embargo, si hace una afirmación que no está respaldada por una fuente, implica que puede proporcionar una prueba científicamente fundamentada de lo que dice. En otras palabras, usted hace una declaración original con los fundamentos correspondientes -> usted es responsable de que sea correcta. Si se refiere a la investigación de otras personas, él / ella es responsable de la declaración y la prueba.

RM: Hawking y Ellis dicen solo lo siguiente, los cuales son correctos: 1. la solución exterior es Kerr asintóticamente 2. la solución interior de una solución de Kerr es un agujero de gusano que conecta múltiples universos. No dicen que el agujero de gusano se formará durante el colapso, porque la continuación más allá del horizonte de Cauchy es sospechosa, porque el horizonte de Cauchy puede volverse singular. Esto es bien conocido. Sugiere que cualquier agujero negro astrofísico se vinculará con otro universo y conducirá a la pérdida de información, que Hawking abogó durante más de 20 años, debido a esta propiedad.

... Acepto que soy responsable de un argumento que no citaré. Pero lo único original en las cosas que dije arriba es la afirmación de que si entras en un agujero negro en rotación, atraviesas los horizontes de Cauchy y sales del mismo agujero negro. Esto es requerido físicamente por unitaridad, si el horizonte de Cauchy es transitable y no singular, pero nunca encontré el mapa de encolado. No hay indicios de lo que debería ser de la mecánica clásica, y hay cosas locas: necesitas pegar el tiempo hacia atrás en algunos lugares, y debes asegurarte de que siempre salgas en el futuro.

AB: bueno, aunque no dijiste ni una sola vez, que esta y aquella fuente popular es incorrecta. Entonces, Hawking y Ellis al final nunca afirman que los agujeros negros formados por el colapso gravitacional produzcan agujeros de gusano, ¿verdad?

... Con respecto a Hawking y la pérdida de información, la idea era solo sobre el teorema sin cabello: arrojas información a un agujero negro, se establece en una solución estacionaria y descubres que la información ha desaparecido.

RM: Hawking y Ellis no toman una posición al respecto; simplemente explican que la solución de Kerr es un agujero de gusano y que la solución de Kerr se forma. Tienes que comprobar todo por ti mismo de todos modos, pero resultan ser correctos en todos sus puntos. Los agujeros negros de Kerr producidos por colapso gravitatorio producen agujeros de gusano si sus horizontes interiores de Cauchy no son demasiado singulares. No se sabe si lo son o no (yo digo que no). La principal diferencia entre lo que digo y lo que decía la gente en la década de 1970 es que digo que el agujero de gusano es para este universo, y sales del mismo agujero negro.

... El teorema sin cabello se aplica en tiempos asintóticos --- te dice que el agujero negro será estable solo en un estado de Kerr. No implica que la información desaparezca, solo que el estado final de máxima entropía es Kerr. Este es un estado térmico (cuando no es extremo), por lo que solo oculta la información en su interior como cualquier otro cuerpo térmico. Estoy afirmando sin rodeos que para los agujeros negros casi extremos, la materia que entra en la imagen exterior se esparce por el horizonte, luego rodea el agujero, se recoge y vuelve a salir, haciendo una oscilación armónica de entrada y salida.

El observador cae en el centro de un BH en un tiempo propio finito. Si lanzas un BH y un observador en un fondo asintóticamente plano con una velocidad ultrarrelativista con respecto a algún observador remoto, el tiempo propio de la persona dentro del agujero negro se retrasará significativamente con respecto al observador remoto. De manera más sólida, puede adjuntar un "reloj" al agujero negro introduciendo las coordenadas apropiadas cerca de él, establecer la correspondencia entre el tiempo adecuado (posición) del observador dentro del agujero negro y el tiempo que muestra el agujero negro. reloj'. Este último se puede poner en correspondencia con el reloj remoto.

Por lo tanto, pueden suceder muchas cosas a su alrededor, mientras el observador sigue cayendo en el agujero negro. El observador también puede obtener información sobre los eventos que ocurren a su alrededor si se le transfiere antes de que se caiga.

Imagínese ahora que un agujero negro en movimiento relativista + un observador que cae van a chocar con otro agujero negro de frente. Durante la colisión, los horizontes de sucesos se fusionarán, el observador sentirá los campos de marea de otro agujero negro, e incluso puede suceder que la singularidad de otro agujero negro le llegue primero.

Por lo tanto: 1) El observador puede sentir la colisión, siempre que aún no haya alcanzado la singularidad del agujero negro de origen, 2) El observador existe antes de alcanzar una singularidad, aunque las fuerzas de marea pueden ser bastante severas.

Con respecto a la segunda pregunta, los horizontes de eventos de muchos agujeros negros pequeños se fusionan cuando los agujeros negros están lo suficientemente cerca. Puede pensar en un agujero negro como una masa puntual rodeada por un horizonte de forma esférica (en términos generales). Los horizontes tienden a fusionarse cuando se acercan, y las masas puntuales permanecen cubiertas por los nuevos horizontes, pero tienden a inspirarse entre sí y fusionarse con el tiempo. Si imaginas millones de pequeños agujeros negros juntos, primero los horizontes se fusionarán y luego todas las masas debajo del gran horizonte formarán una masa más grande.