¿Cuándo los agujeros negros se vuelven inestables?

¿Cuándo los agujeros negros se vuelven inestables?

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La descomposición simulada de un agujero negro no solo da como resultado la emisión de radiación, sino también la descomposición de la masa orbital central que mantiene la mayoría de los objetos estables. Los agujeros negros no son objetos estáticos, sino que cambian con el tiempo.La ciencia comunicativa de la UE

Hay bastantes formas de hacer los agujeros negros que conocemos en el Universo, desde supernovas de colapso central hasta la fusión de estrellas de neutrones y el colapso directo de enormes cantidades de materia. En el extremo más pequeño, sabemos de agujeros negros que pueden ser meramente 2,5 a 3 veces la masa de nuestro Sol, mientras que en el extremo más grande, los supermasivos que superan los 10 mil millones de masas solares residen en los centros de las galaxias. ¿Pero es eso? ¿Y qué tan estables son los agujeros negros de diferentes masas? Eso es lo que Nyccolas Emanuel quiere saber, mientras pregunta:

¿Hay un tamaño crítico para la estabilidad del agujero negro? [A] 1012 kg [black hole] Ya está estable por un par de miles de millones de años. Sin embargo, un [black hole] en el rango de 105 kg, podría explotar en un segundo, por lo tanto, definitivamente no es estable … Supongo que hay una masa crítica para un [black hole] ¿Donde el flujo de materia ganada será igual a la evaporación de Hawking?

Hay mucho que hacer aquí, así que vamos a desempacar todo.

Los agujeros negros devorarán cualquier materia que encuentren. Aunque esta es una gran manera para que crezcan los agujeros negros, la radiación de Hawking también asegura que los agujeros negros perderán masa. Derivar cuando uno derrota al otro no es una tarea trivial.Rayos X: NASA / CXC / UNH / D.Lin et al, Optical: CFHT, Ilustración: NASA / CXC / M.Weiss

Lo primero para empezar es la estabilidad de un agujero negro. Para cualquier otro objeto en el Universo, astrofísico o de otro tipo, hay fuerzas que lo mantienen unido contra lo que pueda hacer el Universo para tratar de destrozarlo. Un átomo de hidrógeno es una estructura tenazmente unida; un solo fotón ultravioleta puede destruirlo ionizando su electrón. Un núcleo atómico necesita una partícula de energía mucho más alta para destruirlo, como un rayo cósmico, un protón acelerado o un fotón de rayos gamma.

Pero para estructuras más grandes, como planetas, estrellas o incluso galaxias, las fuerzas gravitacionales que las mantienen juntas son enormes. Normalmente, se necesita una reacción de fusión fuera de control o una fuerza gravitacional externa increíblemente fuerte, como la de una estrella que pasa, un agujero negro o una galaxia, para destruir una megaestructura de este tipo.

NGC 3561A y NGC 3561B colisionaron y produjeron enormes colas estelares, plumas e incluso posiblemente "eyecciones" que se condensan para formar pequeñas galaxias "nuevas". Las estrellas jóvenes y calientes brillan en azul donde se está llevando a cabo la formación de estrellas rejuvenecidas. Las fuerzas, como las que se encuentran entre galaxias, pueden desgarrar estrellas, planetas o incluso galaxias enteras. Los agujeros negros, sin embargo, permanecerán.Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universidad de Arizona

Para los agujeros negros, sin embargo, algo es fundamentalmente diferente. En lugar de que su masa se distribuya en un volumen, se comprime en una singularidad. Para un agujero negro no giratorio, eso es solo un punto único de dimensión cero. (Para los rotativos, no es mucho mejor: un anillo unidimensional infinitamente delgado).

Además, todos los contenidos que contienen masa y energía de un agujero negro están contenidos dentro de un horizonte de eventos. Los agujeros negros son los únicos objetos en el Universo que contienen un horizonte de eventos: un límite donde, si te deslizas dentro de él, es imposible escapar. Ninguna aceleración, y por lo tanto, ninguna fuerza, sin importar cuán fuerte sea, podrá jalar la materia, la masa o la energía desde el horizonte del evento hacia el Universo más allá.

Impresión artística del núcleo galáctico activo. El agujero negro supermasivo en el centro del disco de acreción envía un chorro estrecho de materia de alta energía al espacio, perpendicular al disco. Un blazar a unos 4.000 millones de años luz de distancia es el origen de muchos de los rayos cósmicos y neutrinos de mayor energía. Sólo la materia desde fuera del agujero negro puede dejar el agujero negro; La materia desde dentro del horizonte de eventos puede escapar.DESY, Science Communication Lab

Esto podría implicar que los agujeros negros, una vez que formen uno por cualquier medio posible, solo pueden crecer y nunca ser destruidos. De hecho, crecen, y de manera implacable en eso. Observamos todo tipo de fenómenos en el Universo, tales como:

  • quasares
  • blazars
  • núcleos galácticos activos,
  • microquásares
  • estrellas que orbitan grandes masas que no emiten luz de ningún tipo,
  • y quema, rayos X y emisiones de radio de los centros galácticos,

que se cree que son conducidos por agujeros negros. Al inferir sus masas, podemos conocer el tamaño físico de sus horizontes de eventos. Cualquier cosa que colisione con él, lo cruce, o incluso lo roque, inevitablemente caerá dentro. Y luego, por la conservación de la energía, inevitablemente debe aumentar la masa del agujero negro.

Una ilustración de un agujero negro activo, uno que acrecienta la materia y acelera una parte del mismo en dos chorros perpendiculares, es un excelente descriptor de cómo funcionan los quásares. La materia que cae en un agujero negro, de cualquier variedad, será responsable del crecimiento adicional en masa y tamaño del agujero negro.Mark A. Garlick

Este es un proceso que, en promedio, está sucediendo para cada agujero negro en el Universo conocido hoy. El material de otras estrellas, del polvo cósmico, de la materia interestelar, las nubes de gas o incluso la radiación y los neutrinos que quedan del Big Bang pueden contribuir. La materia oscura interviniente chocará con el agujero negro, aumentando también su masa. En total, los agujeros negros crecen dependiendo de la densidad de materia y energía que los rodea; el monstruo en el centro de nuestra Vía Láctea crece a una velocidad de aproximadamente una masa solar cada 3,000 años; el agujero negro en el centro de la galaxia Sombrero crece a una velocidad de una masa solar cada dos décadas.

Cuanto más grande y pesado sea su agujero negro, en promedio, más rápido crecerá, dependiendo del otro material que encuentre. A medida que pase el tiempo, la tasa de crecimiento disminuirá, pero con un Universo que tiene solo unos 13.800 millones de años, seguirá creciendo de manera prodigiosa.

Si los horizontes de eventos son reales, entonces una estrella que cae en un agujero negro central simplemente sería devorada, sin dejar rastro del encuentro detrás. Este proceso, de agujeros negros que crecen porque la materia choca con sus horizontes de eventos, no se puede prevenir.Mark A. Garlick / CfA

Por otro lado, los agujeros negros no solo crecen con el tiempo; También hay un proceso por el cual se evaporan: la radiación de Hawking. Este fue el tema de Ask Ethan de la semana pasada, y se debe al hecho de que el espacio está muy curvado cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, pero más plano se encuentra más lejos. Si eres un observador a una gran distancia, verás una cantidad no despreciable de radiación que se emite desde la región curva cerca del horizonte de eventos, debido al hecho de que el vacío cuántico tiene diferentes propiedades en regiones del espacio con curvas diferentes. .

El resultado neto es que los agujeros negros terminan emitiendo radiación térmica, de cuerpo negro (principalmente en forma de fotones) en todas las direcciones a su alrededor, sobre un volumen de espacio que en su mayoría encapsula aproximadamente diez radios de Schwarzschild de la ubicación del agujero negro. Y, tal vez contraintuitivamente, cuanto menos masivo sea su agujero negro, más rápido se evaporará.

El horizonte de eventos de un agujero negro es una región esférica o esferoidal de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Pero fuera del horizonte de eventos, se predice que el agujero negro emitirá radiación. El trabajo de Hawking en 1974 fue el primero en demostrar esto, y fue sin duda su mayor logro científico.NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al .; ESA

La radiación de Hawking es un proceso increíblemente lento, donde un agujero negro de la masa de nuestro Sol tomaría 1064 años para evaporarse; el del centro de la Vía Láctea requeriría 1087 años, y los más masivos en el Universo podrían tomar hasta 10100 años. En general, una fórmula simple que puede usar para calcular el tiempo de evaporación de un agujero negro es tomar la escala de tiempo de nuestro Sol y multiplicarla por:

(Misa del agujero negro / Misa del Sol)3,

lo que significa que un agujero negro de la masa de la Tierra sobreviviría 1047 años; una de las masas de la Gran Pirámide de Giza (~ 6 millones de toneladas) permanecería por cerca de mil años; una de las masas del edificio Empire State duraría aproximadamente un mes; Una de las masas de un humano medio duraría poco menos de un picosegundo. A medida que su masa disminuye, se evapora más rápidamente.

La descomposición de un agujero negro, a través de la radiación de Hawking, debe producir firmas observables de fotones durante la mayor parte de su vida. Sin embargo, en las etapas finales, la velocidad de evaporación y las energías de la radiación de Hawking significan que existen predicciones explícitas para las partículas y antipartículas que serían únicas. Un agujero negro de masa humana se evaporaría en aproximadamente un mero picosegundo.ortega-cuadros / pixabay

Por todo lo que sabemos, el Universo podría contener agujeros negros de una gama extraordinariamente amplia de masas. Si hubiera nacido con seres ligeros, algo por debajo de mil millones de toneladas, todos se habrían evaporado hasta el día de hoy. No hay evidencia de que los agujeros negros sean más pesados ​​hasta que llegas a los creados por la fusión de estrellas de neutrones en estrella de neutrones, que en teoría comienzan a surgir a aproximadamente 2.5 masas solares. Más arriba, los estudios de rayos X apuntan a la existencia de agujeros negros en el rango de ~ 10-20 masas solares; LIGO nos ha mostrado agujeros negros que van desde 8 hasta aproximadamente 62 masas solares; y los estudios de astronomía revelan los agujeros negros supermasivos que se encuentran en todo el Universo.

Conocemos una amplia gama de agujeros negros, pero también una amplia gama de estudios que descartan los agujeros negros que componen la mayoría de la materia oscura en una gran variedad de regímenes.

Restricciones en la materia oscura de los agujeros negros primordiales. Hay un conjunto abrumador de piezas de evidencia que indican que no hay una gran población de agujeros negros creados en el Universo temprano que comprenden nuestra materia oscura.Fig. 1 de Fabio Capela, Maxim Pshirkov y Peter Tinyakov (2013), a través de http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf

Hoy en día, todos los agujeros negros que realmente existen físicamente están ganando materia a un ritmo mucho mayor que el que la radiación de Hawking les está haciendo perder masa. Para un agujero negro de masa solar, pierde alrededor de 10-28 Joules de energía cada segundo. Teniendo en cuenta que:

  • incluso un solo fotón del Fondo de Microondas Cósmico tiene aproximadamente un millón de veces esa energía,
  • hay aproximadamente 411 fotones de este tipo (remanentes del Big Bang) por centímetro cúbico de espacio,
  • y se mueven a la velocidad de la luz, lo que significa que aproximadamente 10 billones de fotones por segundo colisionan con cada centímetro cuadrado de área que un objeto toma,

incluso un agujero negro aislado en las profundidades del espacio intergaláctico tendría que esperar hasta que el Universo estuviera alrededor del 1020 años, más de mil millones de veces su edad actual, antes de que la tasa de crecimiento del agujero negro caiga por debajo de la tasa de radiación de Hawking.

El núcleo de la galaxia NGC 4261, como el núcleo de una gran cantidad de galaxias, muestra signos de un agujero negro supermasivo tanto en infrarrojo como en observaciones de rayos X. A medida que la materia cae en él, el agujero negro continúa creciendo.NASA / Hubble y ESA

Pero vamos a jugar el juego. Asumiendo que vivías en el espacio intergaláctico, lejos de toda materia normal y materia oscura, lejos de todos los rayos cósmicos y la radiación estelar y los neutrinos, y solo tenías los fotones que quedaban del Big Bang para luchar. ¿Qué tan grande debería ser su agujero negro para que la tasa de radiación de Hawking (evaporación) y la tasa de absorción de fotones de su agujero negro (crecimiento) se equilibren entre sí?

La respuesta sale a alrededor de 1023 kg, o aproximadamente la masa del planeta mercurio. Si se tratara de un agujero negro, Mercury tendría aproximadamente medio milímetro de diámetro e irradiaría aproximadamente 100 billones de veces tan rápido como un agujero negro de masa solar. Esa es la masa, en el Universo de hoy, que tomaría un agujero negro para absorber tanta radiación de fondo de microondas cósmica como emitiría en la radiación de Hawking.

A medida que un agujero negro se encoge en masa y radio, la radiación de Hawking que emana de él se vuelve cada vez más grande en temperatura y potencia. Sin embargo, con el tiempo, la tasa de radiación de Hawking supera la tasa de crecimiento, no quedarán estrellas ardiendo en nuestro cosmos.NASA

Para un agujero negro realista, no puedes aislarlo de la materia restante en el Universo. Los agujeros negros, incluso si son expulsados ​​de las galaxias, aún vuelan a través del medio intergaláctico, encontrando rayos cósmicos, luz de estrellas, neutrinos, materia oscura y todo tipo de otras partículas, tanto masivas como sin masa. El fondo de microondas cósmico es inevitable, no importa a dónde vayas. Si eres un agujero negro, absorbes constantemente la materia y la energía y, como resultado, creces tanto en masa como en tamaño. Sí, también irradias energía en forma de radiación de Hawking, pero para todos los agujeros negros que existen en nuestro Universo, tomará al menos 100 quintillones de años para que la tasa de crecimiento caiga por debajo de la tasa de radiación. , y mucho, mucho más tiempo para que finalmente se evaporen.

Los agujeros negros eventualmente se volverán inestables y desaparecerán en nada más que radiación, pero a menos que creamos uno de muy poca masa, de alguna manera, no habrá nada más en el Universo para presenciarlos cuando se vayan.


¡Envía las preguntas de Ask Ethan a startswithabang en gmail dot com!

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La descomposición simulada de un agujero negro no solo da como resultado la emisión de radiación, sino también la descomposición de la masa orbital central que mantiene la mayoría de los objetos estables. Los agujeros negros no son objetos estáticos, sino que cambian con el tiempo.La ciencia de la comunicación de la UE

Hay bastantes formas de hacer los agujeros negros que conocemos en el Universo, desde las supernovas de colapso central hasta la fusión de estrellas de neutrones y el colapso directo de enormes cantidades de materia. En el extremo más pequeño, sabemos de agujeros negros que pueden ser meramente 2,5 a 3 veces la masa de nuestro Sol, mientras que en el extremo más grande, los supermasivos que superan los 10 mil millones de masas solares residen en los centros de las galaxias. ¿Pero es eso? ¿Y qué tan estables son los agujeros negros de diferentes masas? Eso es lo que Nyccolas Emanuel quiere saber, mientras pregunta:

¿Hay un tamaño crítico para la estabilidad del agujero negro? [A] 1012 kg [black hole] Ya está estable por un par de miles de millones de años. Sin embargo, un [black hole] en el rango de 105 kg, podría explotar en un segundo, por lo tanto, definitivamente no es estable … Supongo que hay una masa crítica para un [black hole] ¿Donde el flujo de materia ganada será igual a la evaporación de Hawking?

Hay mucho que hacer aquí, así que vamos a desempacar todo.

Los agujeros negros devorarán cualquier materia que encuentren. Aunque esta es una gran manera para que crezcan los agujeros negros, la radiación de Hawking también asegura que los agujeros negros perderán masa. Derivar cuando uno derrota al otro no es una tarea trivial.Rayos X: NASA / CXC / UNH / D.Lin et al, Optical: CFHT, Ilustración: NASA / CXC / M.Weiss

Lo primero para empezar es la estabilidad de un agujero negro. Para cualquier otro objeto en el Universo, astrofísico o de otro tipo, hay fuerzas que lo mantienen unido contra lo que pueda hacer el Universo para tratar de destrozarlo. Un átomo de hidrógeno es una estructura tenazmente unida; un solo fotón ultravioleta puede destruirlo ionizando su electrón. Un núcleo atómico necesita una partícula de energía mucho más alta para destruirlo, como un rayo cósmico, un protón acelerado o un fotón de rayos gamma.

Pero para estructuras más grandes, como planetas, estrellas o incluso galaxias, las fuerzas gravitacionales que las mantienen juntas son enormes. Normalmente, se necesita una reacción de fusión fuera de control o una fuerza gravitacional externa increíblemente fuerte, como la de una estrella que pasa, un agujero negro o una galaxia, para destruir una megaestructura de este tipo.

NGC 3561A y NGC 3561B colisionaron y produjeron enormes colas estelares, plumas e incluso posiblemente "eyecciones" que se condensan para formar pequeñas galaxias "nuevas". Las estrellas jóvenes y calientes brillan en azul donde se está llevando a cabo la formación de estrellas rejuvenecidas. Las fuerzas, como las que se encuentran entre galaxias, pueden desgarrar estrellas, planetas o incluso galaxias enteras. Los agujeros negros, sin embargo, permanecerán.Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universidad de Arizona

Para los agujeros negros, sin embargo, algo es fundamentalmente diferente. En lugar de que su masa se distribuya en un volumen, se comprime en una singularidad. Para un agujero negro no giratorio, eso es solo un punto único de dimensión cero. (Para los rotativos, no es mucho mejor: un anillo unidimensional infinitamente delgado).

Además, todos los contenidos que contienen masa y energía de un agujero negro están contenidos dentro de un horizonte de eventos. Los agujeros negros son los únicos objetos en el Universo que contienen un horizonte de eventos: un límite donde, si te deslizas dentro de él, es imposible escapar. Ninguna aceleración, y por lo tanto, ninguna fuerza, sin importar cuán fuerte sea, podrá jalar la materia, la masa o la energía desde el horizonte del evento hacia el Universo más allá.

Impresión artística del núcleo galáctico activo. El agujero negro supermasivo en el centro del disco de acreción envía un chorro estrecho de materia de alta energía al espacio, perpendicular al disco. Un blazar a unos 4.000 millones de años luz de distancia es el origen de muchos de los rayos cósmicos y neutrinos de mayor energía. Sólo la materia desde fuera del agujero negro puede dejar el agujero negro; La materia desde dentro del horizonte de eventos puede escapar.DESY, Science Communication Lab

Esto podría implicar que los agujeros negros, una vez que formen uno por cualquier medio posible, solo pueden crecer y nunca ser destruidos. De hecho, crecen, y de manera implacable en eso. Observamos todo tipo de fenómenos en el Universo, tales como:

  • quasares
  • blazars
  • núcleos galácticos activos,
  • microquásares
  • estrellas que orbitan grandes masas que no emiten luz de ningún tipo,
  • y quema, rayos X y emisiones de radio de los centros galácticos,

que se cree que son conducidos por agujeros negros. Al inferir sus masas, podemos conocer el tamaño físico de sus horizontes de eventos. Cualquier cosa que colisione con él, lo cruce, o incluso lo roque, inevitablemente caerá dentro. Y luego, por la conservación de la energía, inevitablemente debe aumentar la masa del agujero negro.

Una ilustración de un agujero negro activo, uno que acrecienta la materia y acelera una parte del mismo en dos chorros perpendiculares, es un excelente descriptor de cómo funcionan los quásares. La materia que cae en un agujero negro, de cualquier variedad, será responsable del crecimiento adicional en masa y tamaño del agujero negro.Mark A. Garlick

Este es un proceso que, en promedio, está sucediendo para cada agujero negro en el Universo conocido hoy. El material de otras estrellas, del polvo cósmico, de la materia interestelar, las nubes de gas o incluso la radiación y los neutrinos que quedan del Big Bang pueden contribuir. La materia oscura interviniente chocará con el agujero negro, aumentando también su masa. En total, los agujeros negros crecen dependiendo de la densidad de materia y energía que los rodea; el monstruo en el centro de nuestra Vía Láctea crece a una velocidad de aproximadamente una masa solar cada 3,000 años; el agujero negro en el centro de la galaxia Sombrero crece a una velocidad de una masa solar cada dos décadas.

Cuanto más grande y pesado sea su agujero negro, en promedio, más rápido crecerá, dependiendo del otro material que encuentre. A medida que pase el tiempo, la tasa de crecimiento disminuirá, pero con un Universo que tiene solo unos 13.800 millones de años, seguirá creciendo de manera prodigiosa.

Si los horizontes de eventos son reales, entonces una estrella que cae en un agujero negro central simplemente sería devorada, sin dejar rastro del encuentro detrás. Este proceso, de agujeros negros que crecen porque la materia choca con sus horizontes de eventos, no se puede prevenir.Mark A. Garlick / CfA

Por otro lado, los agujeros negros no solo crecen con el tiempo; También hay un proceso por el cual se evaporan: la radiación de Hawking. Este fue el tema de Ask Ethan de la semana pasada, y se debe al hecho de que el espacio está muy curvado cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, pero más plano se encuentra más lejos. Si eres un observador a una gran distancia, verás una cantidad no despreciable de radiación que se emite desde la región curva cerca del horizonte de eventos, debido al hecho de que el vacío cuántico tiene diferentes propiedades en regiones del espacio con curvas diferentes. .

El resultado neto es que los agujeros negros terminan emitiendo radiación térmica, de cuerpo negro (principalmente en forma de fotones) en todas las direcciones a su alrededor, sobre un volumen de espacio que en su mayoría encapsula aproximadamente diez radios de Schwarzschild de la ubicación del agujero negro. Y, tal vez contraintuitivamente, cuanto menos masivo sea su agujero negro, más rápido se evaporará.

El horizonte de eventos de un agujero negro es una región esférica o esferoidal de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Pero fuera del horizonte de eventos, se predice que el agujero negro emitirá radiación. El trabajo de Hawking en 1974 fue el primero en demostrar esto, y fue sin duda su mayor logro científico.NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al .; ESA

La radiación de Hawking es un proceso increíblemente lento, donde un agujero negro de la masa de nuestro Sol tomaría 1064 años para evaporarse; el del centro de la Vía Láctea requeriría 1087 años, y los más masivos en el Universo podrían tomar hasta 10100 años. En general, una fórmula simple que puede usar para calcular el tiempo de evaporación de un agujero negro es tomar la escala de tiempo de nuestro Sol y multiplicarla por:

(Misa del agujero negro / Misa del Sol)3,

lo que significa que un agujero negro de la masa de la Tierra sobreviviría 1047 años; una de las masas de la Gran Pirámide de Giza (~ 6 millones de toneladas) permanecería por cerca de mil años; una de las masas del edificio Empire State duraría aproximadamente un mes; Una de las masas de un humano medio duraría poco menos de un picosegundo. A medida que su masa disminuye, se evapora más rápidamente.

La descomposición de un agujero negro, a través de la radiación de Hawking, debe producir firmas observables de fotones durante la mayor parte de su vida. Sin embargo, en las etapas finales, la velocidad de evaporación y las energías de la radiación de Hawking significan que existen predicciones explícitas para las partículas y antipartículas que serían únicas. Un agujero negro de masa humana se evaporaría en aproximadamente un mero picosegundo.ortega-cuadros / pixabay

Por todo lo que sabemos, el Universo podría contener agujeros negros de una gama extraordinariamente amplia de masas. Si hubiera nacido con seres ligeros, algo por debajo de mil millones de toneladas, todos se habrían evaporado hasta el día de hoy. No hay evidencia de que los agujeros negros sean más pesados ​​hasta que llegas a los creados por la fusión de estrellas de neutrones en estrella de neutrones, que en teoría comienzan a surgir a aproximadamente 2.5 masas solares. Más arriba, los estudios de rayos X apuntan a la existencia de agujeros negros en el rango de ~ 10-20 masas solares; LIGO nos ha mostrado agujeros negros que van desde 8 hasta aproximadamente 62 masas solares; y los estudios de astronomía revelan los agujeros negros supermasivos que se encuentran en todo el Universo.

Conocemos una amplia gama de agujeros negros, pero también una amplia gama de estudios que descartan los agujeros negros que componen la mayoría de la materia oscura en una gran variedad de regímenes.

Restricciones en la materia oscura de los agujeros negros primordiales. Hay un conjunto abrumador de piezas de evidencia que indican que no hay una gran población de agujeros negros creados en el Universo temprano que comprenden nuestra materia oscura.Fig. 1 de Fabio Capela, Maxim Pshirkov y Peter Tinyakov (2013), a través de http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf

Hoy en día, todos los agujeros negros que realmente existen físicamente están ganando materia a un ritmo mucho mayor que el que la radiación de Hawking les está haciendo perder masa. Para un agujero negro de masa solar, pierde alrededor de 10-28 Joules de energía cada segundo. Teniendo en cuenta que:

  • incluso un solo fotón del Fondo de Microondas Cósmico tiene aproximadamente un millón de veces esa energía,
  • hay aproximadamente 411 fotones de este tipo (remanentes del Big Bang) por centímetro cúbico de espacio,
  • y se mueven a la velocidad de la luz, lo que significa que aproximadamente 10 billones de fotones por segundo colisionan con cada centímetro cuadrado de área que un objeto toma,

incluso un agujero negro aislado en las profundidades del espacio intergaláctico tendría que esperar hasta que el Universo estuviera alrededor del 1020 años, más de mil millones de veces su edad actual, antes de que la tasa de crecimiento del agujero negro caiga por debajo de la tasa de radiación de Hawking.

El núcleo de la galaxia NGC 4261, como el núcleo de una gran cantidad de galaxias, muestra signos de un agujero negro supermasivo tanto en infrarrojo como en observaciones de rayos X. A medida que la materia cae en él, el agujero negro continúa creciendo.NASA / Hubble y ESA

Pero vamos a jugar el juego. Asumiendo que vivías en el espacio intergaláctico, lejos de toda materia normal y materia oscura, lejos de todos los rayos cósmicos y la radiación estelar y los neutrinos, y solo tenías los fotones que quedaban del Big Bang para luchar. ¿Qué tan grande debería ser su agujero negro para que la tasa de radiación de Hawking (evaporación) y la tasa de absorción de fotones de su agujero negro (crecimiento) se equilibren entre sí?

La respuesta sale a alrededor de 1023 kg, o aproximadamente la masa del planeta mercurio. Si se tratara de un agujero negro, Mercury tendría aproximadamente medio milímetro de diámetro e irradiaría aproximadamente 100 billones de veces tan rápido como un agujero negro de masa solar. Esa es la masa, en el Universo de hoy, que tomaría un agujero negro para absorber tanta radiación de fondo de microondas cósmica como emitiría en la radiación de Hawking.

A medida que un agujero negro se encoge en masa y radio, la radiación de Hawking que emana de él se vuelve cada vez más grande en temperatura y potencia. Sin embargo, con el tiempo, la tasa de radiación de Hawking supera la tasa de crecimiento, no quedarán estrellas ardiendo en nuestro cosmos.NASA

Para un agujero negro realista, no puedes aislarlo de la materia restante en el Universo. Los agujeros negros, incluso si son expulsados ​​de las galaxias, aún vuelan por el medio intergaláctico, encontrando rayos cósmicos, luz de estrellas, neutrinos, materia oscura y todo tipo de otras partículas, tanto masivas como sin masa. El fondo de microondas cósmico es inevitable, no importa a dónde vayas. Si eres un agujero negro, absorbes constantemente la materia y la energía y, como resultado, creces tanto en masa como en tamaño. Sí, también irradias energía en forma de radiación de Hawking, pero para todos los agujeros negros que existen en nuestro Universo, tomará al menos 100 quintillones de años para que la tasa de crecimiento caiga por debajo de la tasa de radiación. , y mucho, mucho más tiempo para que finalmente se evaporen.

Los agujeros negros eventualmente se volverán inestables y desaparecerán en nada más que radiación, pero a menos que creamos uno de muy poca masa, de alguna manera, no habrá nada más en el Universo para presenciarlos cuando se vayan.


¡Envía las preguntas de Ask Ethan a startswithabang en gmail dot com!
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