El horizonte de eventos de un agujero negro es donde la gravedad es tal que ni siquiera la luz puede escapar. Este es también el punto en el que entiendo que, según Einstein, la dilatación del tiempo será infinita para un observador lejano.
Si este es el caso, ¿cómo puede algo caer en un agujero negro? En mi experimento mental estoy en una nave espacial con un poderoso telescopio que puede detectar luz en una amplia gama de longitudes de onda. Lo tengo enfocado en el agujero negro y observo como una gran roca se acerca al horizonte de sucesos.
¿Estoy en lo correcto al decir que desde mi posición lejana la roca se congelaría fuera del horizonte de sucesos y nunca lo pasaría? Si este es el caso, ¿cómo puede un agujero negro consumir algún material, y mucho menos crecer hasta millones de masas solares? Si pudiera orientar el telescopio hacia el agujero negro durante millones de años, ¿seguiría viendo la roca en el borde del horizonte de sucesos?
Me estoy preparando para que la respuesta del objeto se desvanezca lentamente. ¿Por qué se desvanecería lentamente y si lo hiciera, cuánto tiempo tomaría este desvanecimiento? Si se va a desplazar hacia el rojo en algún momento, ¿no se detendría el desplazamiento hacia el rojo? ¡Esta pregunta me ha estado molestando durante años!
OK, solo una edición basada en las respuestas hasta ahora. Una vez más, siga pensando desde el punto de vista de un observador. Si los observadores ven que los objetos se desvanecen y desaparecen lentamente a medida que se acercan al horizonte de eventos, ¿significaría eso que con el tiempo el horizonte de eventos estaría "lleno" de objetos invisibles, pero que no se atravesarían? Deberíamos poder detectar los "bultos" ¿no deberíamos pasar?
Es cierto que, desde una perspectiva externa, nada puede traspasar el horizonte de sucesos. Intentaré describir la situación lo mejor que pueda, según mi leal saber y entender.
Primero, imaginemos un agujero negro clásico. Por "clásico" me refiero a una solución de agujero negro para las ecuaciones de Einstein, que imaginamos que no emite radiación de Hawking (por ahora). Tal objeto persistiría para siempre. Imaginemos tirarle un reloj. Nos alejaremos mucho del agujero negro y veremos caer el reloj.
Lo que notamos a medida que el reloj se acerca al horizonte de eventos es que se ralentiza en comparación con nuestro reloj. De hecho, sus manecillas se acercarán asintóticamente a una hora determinada, que bien podríamos llamar las 12:00. La luz del reloj también se ralentizará y se desplazará hacia el rojo con bastante rapidez hacia el extremo de radio del espectro. Debido a este corrimiento hacia el rojo, y debido a que solo podemos ver los fotones emitidos por el reloj antes de que dieran las doce, rápidamente se volverá muy difícil de detectar. Eventualmente llegará al punto en el que tendríamos que esperar miles de millones de años entre fotones. Sin embargo, como dices, en principio siempre es posible detectar el reloj, porque nunca pasa el horizonte de eventos.
Tuve la oportunidad de conversar con un cosmólogo sobre este tema hace unos meses, y lo que dijo fue que este desplazamiento hacia el rojo hacia la indetectabilidad ocurre muy rápidamente. (Creo que el "teorema de la falta de cabello" proporciona la justificación para esto). También dijo que el agujero negro con un objeto esencialmente indetectable justo fuera de su horizonte de eventos es una muy buena aproximación a un agujero negro de una masa ligeramente mayor.
(En este punto, quiero señalar de pasada que cualquier agujero negro "real" emitirá radiación de Hawking hasta que eventualmente se evapore y se convierta en nada. Dado que nuestro reloj aún no habrá pasado el horizonte de eventos para cuando esto suceda, eventualmente debe escapar - aunque presumiblemente la radiación de Hawking interactúa con ella al salir. Presumiblemente, desde la perspectiva del reloj, todos esos miles de millones de años de radiación aparecerán en la fracción de segundo antes de las 12:00, por lo que no se parecerá mucho a un reloj más. En mi opinión, la resolución de la paradoja de la información del agujero negro se encuentra en esta línea de razonamiento y no en ningún aspecto específico de la teoría de cuerdas. Pero, por supuesto, esa es solo mi opinión).
Ahora bien, esta idea parece un poco extraña (para mí y creo que también para ti) porque si nada pasa el horizonte de sucesos, ¿cómo puede haber un agujero negro en primer lugar? La respuesta de mi amigo cosmólogo se redujo a esto: el agujero negro en sí mismo es solo una aproximación . Cuando un montón de materia colapsa sobre sí misma, converge muy rápidamente hacia algo que parece una solución de agujero negro para las ecuaciones de Einstein, hasta el punto en que, a todos los efectos, se puede tratar como si la materia estuviera dentro del horizonte de eventos en lugar de que fuera de ella. Pero esto es solo una aproximación porque, desde nuestra perspectiva, nada de la materia que cae puede pasar el horizonte de eventos.
Suponga que el objeto que cae es un láser azul que usted lanzó directamente (radialmente) hacia el agujero negro de Schwarzchild (sin rotación) que apunta directamente hacia usted y que está lejos del agujero negro. El objeto masivo es el láser en sí mismo, la luz que está viendo es su forma de "ver" el objeto a medida que se acerca al horizonte de eventos.
En primer lugar, solo porque el láser se está alejando de usted, se desplazará ligeramente hacia el rojo solo por el efecto Doppler. A medida que se acerca al agujero negro, ese ligero desplazamiento hacia el rojo se volverá cada vez más significativo. La luz del láser irá del azul al verde, al amarillo, al rojo, al infrarrojo, al microondas ya ondas de radio cada vez más largas a medida que parece acercarse al horizonte de sucesos desde su punto de vista. Además, la cantidad de fotones que emite por segundo (a medida que los detecta) disminuirá con el tiempo a medida que se acerque al horizonte. Este es el efecto de atenuación: a medida que aumenta la longitud de onda, la cantidad de fotones por segundo disminuirá. Por lo tanto, tendrá que esperar más y más entre los momentos en que detecte las ondas de radio de longitud de onda cada vez más largas del láser azul. esto nocontinúa para siempre: habrá un último fotón que detectes. Para explicar por qué, veamos al observador cayendo.
Su amigo, que es el observador montado en el láser, ni siquiera ve que sucede nada cuando cruza el horizonte de sucesos (si está en caída libre). El punto es que el horizonte de sucesos no es en absoluto como una superficie con la que golpeas o donde sucede algo inusual desde el punto de vista de los observadores que caen libremente. La razón por la que habrá un último fotón que jamás detectará es porque solo se emite un número finito de fotones entre el momento en que el láser comienza a caer y el momento en que el láser cruza el horizonte de eventos. Entonces, el último fotón emitido justo antes de que pase por el horizonte de eventos será el último fotón que verás.
Entonces, afirmo que el láser nodesaparecer del punto de vista de un observador externo. Tenga en cuenta que tratar de "iluminar" el objeto cerca del horizonte de sucesos haciendo brillar un láser diferente sobre el objeto y buscando fotones dispersos no funcionará. (No funcionará incluso si arroja el segundo láser para intentar iluminar el primer láser). Desde el punto de vista del láser que cayó, estos fotones solo golpearán el láser después de que ya haya cruzado el horizonte de eventos y por lo tanto, la luz dispersada no puede escapar del agujero negro. (De hecho, si espera demasiado antes de intentar iluminar el objeto, el láser que cae ya habrá golpeado la singularidad en el centro del agujero negro). Desde el "punto de vista" del observador externo (pero no puede "ver " este),
Todo lo que dice en su pregunta es cierto, y su comentario "el horizonte de eventos está en una referencia de tiempo diferente" también es cierto, aunque debe indicarse con mayor precisión.
Si ha leído mucho sobre la relatividad, probablemente se haya topado con términos como "marco de referencia" y "marco inercial". Un "marco" es un sistema de coordenadas, es decir, un sistema de distancias, ángulos y tiempos que se utiliza para medir la ubicación de las cosas. Por ejemplo, las referencias de la cuadrícula del mapa son un sistema de coordenadas que se utiliza para medir la ubicación de las cosas en la superficie de la Tierra.
La relatividad general (GR) nos da una forma de describir el universo que es independiente de cualquier marco de referencia. Sin embargo, para nosotros los observadores, para calcular lo que vemos, tenemos que hacer los cálculos en nuestro marco de referencia, es decir, en metros y segundos que podamos medir. El agujero negro estático se describe mediante la métrica de Schwarzschild, y no es difícil usar esto para calcular cosas como cuánto tiempo lleva caer en el horizonte de eventos. Un sistema de coordenadas común son las coordenadas co-móviles, es decir, el observador que cae en el agujero negro mide las distancias de sí mismo (poniéndose en el origen) y el tiempo en el cronómetro que lleva. Si haces este cálculo, encuentras que el observador cae a través del horizonte de eventos en un tiempo finito y, de hecho, golpea la singularidad en el centro del agujero negro en un tiempo finito.
Pero donde las cosas se ponen raras es que calculamos el tiempo necesario para alcanzar el horizonte de eventos en nuestro sistema de coordenadas como observadores sentados fuera del agujero negro. Este es un cálculo fácil, que encontrará en cualquier libro de introducción a GR, y la respuesta es que se necesita un tiempo infinito para alcanzar el horizonte de eventos.
Esto no es un truco de contabilidad; significa que nunca veremos la forma de un horizonte de eventos. En este punto, alguien aparecerá y dirá que eso significa que los agujeros negros en realidad no existen. En cierto sentido, eso es cierto en nuestro sistema de coordenadas, pero todo lo que eso significa es que nuestro sistema de coordenadas no proporciona una descripción completa del universo. Eso es algo a lo que nos hemos estado acostumbrando desde que Galileo señaló que el Sol no gira alrededor de la Tierra. En el sistema de coordenadas del observador en caída libre, el horizonte de sucesos existe y se puede alcanzar en un tiempo finito.
Usted pregunta:
Si este es el caso, ¿cómo puede un agujero negro consumir algún material, y mucho menos crecer hasta millones de masas solares?
Mientras permanezca fuera del horizonte de eventos, un agujero negro no es nada especial. Es solo una agregación de materia como una estrella. En el centro de nuestra galaxia tenemos una región compacta, Sagitario A* , que contiene millones de masas estelares, y desde las órbitas de las estrellas cercanas a Sagitario A* contiene suficiente materia en un espacio lo suficientemente pequeño como para convertirlo en un agujero negro. Sin embargo, las órbitas de esas estrellas solo dependen de la masa que orbitan y si Sagitario A* es en realidad un agujero negro o no es irrelevante.
De hecho, nada puede pasar por debajo del horizonte. Las cosas cercanas al horizonte de eventos se mueven hacia afuera a medida que aumenta el radio del agujero negro. Más aún, con cualquier deformación del agujero negro, como las ondas en su superficie, las deformaciones de las mareas o el cambio de la velocidad de rotación, todos los objetos lo suficientemente cerca del horizonte permanecen "pegados" a él y siguen todos los cambios de forma del agujero negro. Todos los objetos lo suficientemente cerca de un horizonte de agujero negro giratorio, giran con él a la misma velocidad. Si un agujero negro se mueve, también lo hace todo lo que está lo suficientemente cerca de su superficie, incluidas las cosas ubicadas en el lado de la dirección del movimiento. Si alguien está interesado en qué mecanismo hace posible tal adherencia, se llama frame-dragging.
Puede preguntarse entonces, cómo puede aparecer un agujero negro y formarse el horizonte. Se conjetura que no pueden, y los únicos agujeros negros posibles son los hipotéticos agujeros negros primordiales que existieron desde el principio del universo.
Los objetos que pueden ser muy similares a los agujeros negros se denominan colapsares . Son prácticamente indistinguibles de los agujeros negros reales después de un tiempo muy corto de formación. Consisten solo en materia fuera del radio del horizonte de eventos de un agujero negro con la misma masa. Esta materia está prácticamente congelada en la superficie como un agujero negro real, debido al alto nivel de gravedad.
Dichos colapsares posiblemente puedan convertirse en agujeros negros por un corto tiempo debido a las fluctuaciones cuánticas y, por lo tanto, emitir radiación de halcón.
Los astrofísicos no separan tales colapsares de los agujeros negros reales y los llaman a todos agujeros negros por razones prácticas debido a su indistinguibilidad real.
Aquí hay una cita de un artículo que apoya tal punto de vista:
Nuestro resultado principal, que no se forma ningún horizonte de eventos en el colapso gravitacional visto por un observador asintótico, sugiere la posibilidad de usar el número de horizontes de eventos locales para clasificar y dividir el espacio de Hilbert en sectores de superselección, etiquetados por el número de horizontes de eventos locales. Nuestro resultado sugiere que ningún operador podría aumentar el número de horizontes de sucesos, pero la posibilidad de reducir el número de horizontes de sucesos primordiales preexistentes no es tan clara y requeriría que la radiación de Hawking no provoque que los horizontes de sucesos de los agujeros negros primordiales se evaporen por completo.
Me gustaría añadir un dato que, quizás, no sea controvertido.
Es decir, que toda la información sobre cualquier objeto que caiga estará disponible para el observador externo en cualquier momento. La información no puede perderse bajo el horizonte, de lo contrario tenemos la paradoja de la pérdida de información.
Esto significa que, en teoría, es posible que un observador externo restaure cualquier objeto que haya ido en dirección al BH, porque aún se conserva toda su información.
Esto es cierto no solo con respecto a los objetos que caen después de la formación de BH, sino también a aquellos objetos que estaban allí en el momento en que colapsó la estrella. Entonces, incluso si estuviera en el centro de una estrella cuando colapsaba, toda la información sobre usted aún se conserva, está disponible fuera del horizonte y su cuerpo puede reconstruirse.
Me parece que el faller es parte de la bodega negra y por lo tanto se evaporará
Si uno arroja un leño al fuego, ¿es el fuego lo que quema el leño, o es el leño ahora parte del mismo fuego? Veo a la persona que cae como parte del horizonte de sucesos, así que en lugar de decir que la persona que cae es destruida por un cortafuegos, tal vez la persona que cae se evapore.
Quizás esto sea solo una objeción sobre la semántica.
Hay una buena respuesta de John Rennie , y creo que la discusión continua en los comentarios se basa en un malentendido por parte del OP, quien le pregunta en un comentario a John:
"¿Cómo puede algo caer en un agujero negro visto desde un observador externo?" — Matt Luckham 24 feb.
El malentendido del OP está en la definición del "observador externo" y en asumir que todos los observadores están "afuera".
"Afuera" significa fuera de la influencia/atracción gravitacional del agujero negro, es decir, no atraído y cayendo en él. Por supuesto, esto no define a "todos los observadores" . Habrá observadores cayendo en el agujero negro porque su trayectoria cae hacia el agujero negro, sin importar lo lejos que estén. Esto incluye toda la materia que cae hacia la singularidad, vista desde cualquier marco.
Esto se ve más fácilmente desde el punto de vista matemático: la métrica de Schwarzschild dice:
Recomiendo leer las respuestas a algunas de las preguntas a la derecha --> -->
Particularmente este .
Espero que esta pregunta se cierre como un duplicado exacto, pero lo que encontrará en respuesta a las otras preguntas es que lo que observa alguien que cae en un agujero negro y lo que alguien afuera que lo ve caer, no es lo mismo. . La naturaleza exacta del cambio de la imagen puede ser (y ha sido) resuelta, pero nuevamente, recomiendo mirar las otras preguntas aquí.
El tercer párrafo en adelante es un poco especulativo de mi parte; No estoy exactamente seguro de ellos. Comentarios apreciados
Todo esto se debe a la rareza de la relatividad. En su marco de referencia, la roca se detiene en el horizonte. La roca no siente tal detención. La roca verá cómo las estrellas se condensan (esta 'condensación' es más evidente en los agujeros negros masivos), debido a la lente gravitatoria. Verá acercarse el horizonte y caerá a través de él.
Recuerda, el tiempo y el espacio son relativos. Este es un caso bastante extremo donde el tiempo parece fluir infinitamente más rápido en un marco diferente.
Sobre la 'atenuación', no estoy exactamente seguro de lo que sucede. IIRC, la afirmación de que la roca se 'congela' es una verdad a medias. En teoría, la roca está congelada en su marco de referencia, pero un telescopio no puede ver eso. Para hacer la vida más fácil, supongamos que la roca está cubierta de lámparas (una roca normal se volvería invisible mucho antes de llegar al horizonte). En el horizonte, la luz emitida por estas lámparas es desplazado hacia el rojo, por lo que básicamente no existe. Esto también se puede ver como el fotón girando la cola y siendo absorbido (en realidad, el fotón se congela en el horizonte), por lo que una roca en el horizonte es invisible. Una roca cerca del horizonte es muy tenue, ya que casi toda la luz emitida se reabsorbe (también, hay corrimiento al rojo de la luz, más corrimiento al rojo menos energia. ). Entonces, lo que vemos es que la roca se oscurece gradualmente a medida que alcanza el horizonte. También parece ir más lento. La tasa de oscurecimiento y desaceleración convergen en el horizonte, donde la roca está congelada, pero completamente invisible. En mi humilde opinión, esto sucede en en tu marco.
Así que un agujero negro permanece negro. No verá estrellas, gas, rocas o investigadores ambiciosos pegados al horizonte, aunque puede lograr ver versiones tenues de ellos a medida que caen cerca del horizonte.
En cuanto a cómo crece el agujero negro, se debe al horizonte absoluto. El horizonte de un agujero negro crece en "anticipación" del material que cae.
Una versión que escuché es esta: el radio del horizonte de eventos se puede definir usando la masa que envuelve. Ahora bien, aunque desde un observador externo, un objeto nunca entra en el horizonte de sucesos, pero en un tiempo finito estará muy, muy cerca de él. Ahora, si incluye este objeto como parte del agujero negro y vuelve a calcular el horizonte de eventos, encontrará que el nuevo horizonte de eventos ya incluye este objeto, por lo tanto, el objeto puede verse como dentro del agujero negro recién formado.
Ve objetos que se congelan fuera del horizonte de sucesos. Ve el horizonte de eventos moviéndose hacia afuera cuando más cosas caen en el horizonte de eventos. Las cosas en el horizonte de eventos no se mueven hacia afuera, cuando el horizonte de eventos se mueve hacia afuera, por lo tanto, los objetos quedan envueltos por el horizonte de eventos.
Si mi conocimiento de la dilatación del tiempo es correcto, funciona en ambos sentidos. El tiempo se ralentiza para el objeto en esta situación. Pero, el tiempo no se ralentiza para un observador externo. Por lo tanto, no, el tiempo sería infinito solo para el objeto que se acerca al agujero negro. (Podría estar equivocado, si lo estoy, por favor dímelo en los comentarios)
El problema de probar si algo que no sea la imagen/información permanece flotando por encima de donde debería estar el horizonte de eventos es que cualquier señal que emita un objeto se vuelve más lenta y se desplaza hacia el rojo hasta el punto en que una sonda dejará de responder y será invisible. Una forma posible de verificar si los objetos realmente todavía están flotando allí es si equipas un montón de sondas de prueba con espejos que reflejan muy bien las longitudes de onda cortas (la razón para tener un montón de ellos es que eventualmente, incluso los fotones individuales transferirán una cantidad destructiva de impulso). Supongo que obtendrá reflejos siempre que no se quede sin sondas (aunque TENDRÁ que esperar exponencialmente más tiempo para cada medición adicional).
Editar: según un comentario de Anixx, las sondas no se "tragarán" a medida que su masa expanda el agujero negro, sino que simplemente se empujarán ligeramente hacia afuera.
En el horizonte de eventos, la persona que es absorbida verá la luz el doble de rápido. Luego, a medida que cae, eventualmente verá la luz 3 veces más rápido, luego 4 veces más rápido, luego 5 veces más rápido, hasta que la luz parezca ser infinitamente rápida y el tiempo comience a hacerse infinito para él, y probablemente parecerá tomar una fracción de segundo para caer, luego será destruido porque solo hay espacio para menos de una tabla cúbica (infinitesmall) mientras que él es más grande que una celda. Sin embargo, afuera, nunca verás algo cayendo en el horizonte de sucesos, y cuando la velocidad de escape necesaria sea la mitad de la velocidad de la luz, verás objetos yendo a la mitad de la velocidad, lo cual no es tan malo, pero después de un tiempo, cuando la velocidad necesaria se convierte en 299, 792, 457 metros por segundo, y imagina que hay un reloj, será 1/299, 792, 458 veces más rápido y, por lo tanto, tarda alrededor de 9 años en pasar 1 segundo, que probablemente el reloj ya se cayó. La persona que cae, sin embargo, no siente nada especial al cruzar el horizonte de eventos, e incluso puede comunicarse con otra persona que cae, hasta que uno es destruido por la singularidad de la gravedad. No hay forma de entrar en un agujero negro y contarle la historia a todo el mundo, pero hay una forma de identificar cada objeto que ha caído en el agujero negro desde el Big Bang, pero necesitarás un programa de ejecución súper rápido y mucho mejor. vista de lo normal. Como cuanto más rápido vas, más lento es el tiempo para ti porque la velocidad de la luz es solo un poco más rápida que tú, tendrás que esperar hasta que estés casi a la velocidad de la luz como 299, 792, 457.99[...] 9 metros por segundo, luego inmediatamente sin esperar 299, 792, 458/ el número que escribí -1 segundo, y retrocedí a la velocidad de la luz durante un tiempo muy, muy largo, probablemente más que el tiempo que tardó Big Bang en formarse y contar la historia. Y no, envejeces a la misma velocidad, pero el tiempo PARECE mucho más lento porque la luz solo va un poco más rápido que tú.
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