Cómo escapar de un agujero negro?

Pregúntele a Ethan: ¿Cómo escapar de un agujero negro la radiación de Hawking y los chorros relativistas? Comenzó con una explosión. . . El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras Arte conceptual de un anillo de acreción y chorro alrededor de un agujero negro supermasivo. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech Por Ethan Siegel, para Forbes Enero 20 de 2018 Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas, exclusivamente. La característica más importante de un agujero negro es que tiene un horizonte de eventos: una región del espacio donde el campo gravitatorio es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de él. ¿Cómo, entonces, explicamos la materia y la radiación que ambos vemos y predecimos debería provenir de ellos? Eso es lo que Russell Sisson quiere saber, cuando pregunta: Todo lo que lees sobre un agujero negro indica que "nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos". Luego, usted lee que hay radiación de Hawking, que "es radiación de cuerpo negro que se predice que será liberada por los agujeros negros". Luego hay chorros relativistas que "disparan desde agujeros negros a velocidades cercanas a la de la luz". Obviamente, algo sale de los agujeros negros, ¿verdad? La materia y la radiación definitivamente pueden venir hacia nosotros, provenientes de la ubicación del agujero negro. ¿Pero eso significa que algo escapa de un agujero negro? ¡Vamos a averiguar! Mientras que las galaxias anfitrionas distantes para quásares y núcleos galácticos activos a menudo se pueden obtener imágenes en luz visible / infrarroja, los jets mismos y la emisión circundante se ven mejor tanto en la radiografía como en la radio, como se ilustra aquí para la galaxia Hércules A. toma un agujero negro para alimentar un motor como este, pero eso no significa necesariamente que esto sea materia / radiación que escapa desde el horizonte del evento. Crédito de la imagen: NASA, ESA, S. Baum y C. O'Dea (RIT), R. Perley y W. Cotton (NRAO / AUI / NSF), y el Equipo de herencia de Hubble (STScI / AURA) Cuando hablamos de un agujero negro, es importante reconocer a qué nos referimos. Si junta suficiente masa en un volumen de espacio lo suficientemente pequeño, la curvatura del espacio-tiempo será tan grande que un rayo de luz, sin importar en qué dirección se propague, inevitablemente regresará a la singularidad central. La velocidad de escape, o la velocidad a la que necesitarías moverte para superar la atracción gravitacional del agujero negro, es mayor que la velocidad de la luz. Una consecuencia de esto es que hay una región crítica, o un horizonte de eventos, donde una vez que cruzas dentro de ella, nunca puedes salir. Las cosas que están dentro del horizonte de eventos siempre golpean la singularidad; las cosas que están afuera pueden escapar o caer, dependiendo de sus propiedades. Según lo visto con nuestros telescopios más potentes, como el Hubble, los avances en la tecnología de la cámara y las técnicas de imagen nos han permitido explorar y comprender mejor la física y las propiedades de quásares distantes, incluidas sus propiedades centrales de agujeros negros. Crédito de la imagen: NASA y J. Bahcall (IAS) (L); NASA, A. Martel (JHU), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO / Lick Observatory), el equipo científico de ACS y ESA (R) Sin embargo, existen partículas y radiación reales, observadas y teorizadas, que se originan en un agujero negro. Los discos de acreción son un ejemplo espectacular. Imagina que eres una partícula fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro, pero unido gravitacionalmente a ella. La fuerte atracción gravitacional hará que te muevas en una órbita elíptica, donde tu velocidad más rápida corresponde a tu aproximación más cercana al agujero negro. Siempre y cuando no cruces el horizonte de sucesos, nunca deberías caer. Ocasionalmente, si hay suficientes partículas en órbita, interactuarás con las otras, experimentarás colisiones inelásticas y fricción. Se calentará, se verá obligado a moverse en una órbita más circular y, finalmente, emitirá radiación. Esta radiación no proviene del interior del agujero negro, sino de la materia que orbita fuera del horizonte de eventos. Una ilustración de un agujero negro activo, uno que acrecenta la materia y acelera una parte hacia afuera en dos chorros perpendiculares, puede describir el agujero negro en nuestra galaxia y, en particular, los más activos en muchos aspectos. Crédito de la imagen: Mark A. Garlick Claro, algo de la materia eventualmente perderá suficiente energía como para cruzar hacia el interior del horizonte de eventos, llegando a la singularidad y aumentando la masa del agujero negro. Pero están sucediendo muchas cosas en las cercanías del agujero negro. Hay partículas cargadas de diferentes signos y magnitudes que viajan muy rápido: se mueven cerca de la velocidad de la luz. Los objetos cargados en movimiento crean campos magnéticos y eso hace que muchas de las partículas de materia ionizada se aceleren en forma de hélice, lejos del plano del disco de acreción. Estas partículas aceleradoras son el origen de los chorros relativistas, que producen lluvias de partículas y radiación cuando colisionan con el material más alejado del agujero negro. La galaxia Centaurus A, que se muestra en un compuesto de luz visible, luz infrarroja (submilimétrica) y en la radiografía. Crédito de la imagen: ESO / WFI (Optical); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submilimétrico); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Radiografía) Los chorros relativistas son una vista notable, y en algunos casos, son tan brillantes que realmente aparecen en luz visible. La galaxia Centaurus A tiene un chorro en ambas direcciones que se vuelve grande, difuso y espectacular; la galaxia Messier 87 tiene un solo chorro colimado que se extiende por más de 5000 años luz. Ambos son causados por un agujero negro activo, supermasivo que es mucho más grande que incluso la monstruosidad de cuatro millones de masas solares en el centro de la Vía Láctea. El segundo agujero negro más grande visto desde la Tierra, el que está en el centro de la galaxia M87, es alrededor de 1000 veces más grande que el agujero negro de la Vía Láctea, pero está más de 2000 veces más lejos. El chorro relativista que emana de su núcleo central es uno de los más grandes y colimado que se haya observado. Crédito de la imagen: ESA / Hubble y NASA Para los discos de acreción y los chorros relativistas, estos son fenómenos observables alrededor de los agujeros negros, pero nada sale del interior del agujero negro y sale. Para la radiación de Hawking, sin embargo, las cosas se complican un poco más. En teoría, se puede imaginar un agujero negro que estaba realmente en el vacío del espacio, sin materia, radiación u otras masas a su alrededor. Si el agujero negro no estuviera allí, todo lo que tendrías sería el vacío del espacio plano, no curvado, gobernado por las leyes fundamentales del Universo. Pero si coloca el agujero negro allí, tiene espacio curvo, un horizonte de sucesos y las leyes de la física. Y una consecuencia de eso es que obtienes radiación omnidireccional con un espectro de cuerpo negro: radiación Hawking. El horizonte de sucesos 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. Crédito de la imagen: NASA; Jörn Wilms (Tübingen) y otros; ESA El problema con la conceptualización de la radiación de Hawking es el siguiente: toda la radiación se origina desde fuera del horizonte de sucesos, pero el único lugar para extraer energía es la masa dentro del agujero negro. Por cada cuanto de energía (E) liberado en forma de radiación de Hawking, la masa del agujero negro (m) tiene que disminuir en una cantidad equivalente. ¿Cuanto es eso? Exactamente la cantidad que predice la ecuación más famosa de Einstein, E = mc^2. Pero, ¿cómo puede la radiación desde afuera de un agujero negro ser causada por la masa que está dentro de un agujero negro, particularmente si nada puede escapar del horizonte de eventos? Una visualización de lo que sería un agujero negro recortado contra el telón de fondo de la Vía Láctea. El horizonte de eventos es la región oscura de la que no puede escapar la luz. Crédito de la imagen: equipo SXS; Bohn et al. 2015 La explicación más común, dada por el propio Hawking, es también la más equivocada. Una de las formas en que puede visualizar la energía de vacío, o la energía inherente al espacio en sí, es con pares de partículas y antipartículas. El espacio vacío, porque su energía de punto cero es un valor positivo (en lugar de cero), no se puede visualizar como totalmente vacío; necesitas algo para ocuparlo. Combinando este hecho con el principio de incertidumbre de Heisenberg, se llega a una imagen en la que los pares de materia y antimateria surgen durante un breve período de tiempo, antes de aniquilar a la nada del espacio vacío. Cuando un miembro está fuera del horizonte de sucesos pero el otro cae, el "exterior" puede escapar, llevando la energía lejos, mientras que el "interior" lleva energía negativa y disminuye la masa del agujero negro. Los pares de partículas y antipartículas aparecen y desaparecen continuamente, tanto dentro como fuera del horizonte de sucesos de un agujero negro. Cuando un par creado en el exterior tiene uno de sus miembros, es cuando las cosas se ponen interesantes. Crédito de la imagen: Ulf Leonhardt de la Universidad de St. Andrews En primer lugar, esta visualización no es para partículas reales, sino virtuales. Son solo herramientas de cálculo, no entidades físicamente observables. En segundo lugar, la radiación de Hawking que deja un agujero negro es casi exclusivamente fotones, no partículas de materia o antimateria. Y tercero, la mayor parte de la radiación de Hawking no proviene del borde del horizonte de eventos, sino de una región muy grande que rodea el agujero negro. Si debe seguir la explicación de los pares de partículas y antipartículas, es mejor tratar de verlo como una serie de cuatro tipos de pares: out-out,out-in,in-out, andin-in, donde son los pares de entrada y salida los que interactúan virtualmente, produciendo fotones que transportan energía, donde la energía faltante proviene de la curvatura del espacio, y eso a su vez disminuye la masa del agujero negro central. La radiación de Hawking es lo que inevitablemente resulta de las predicciones de la física cuántica en el espacio-tiempo curvo que rodea el horizonte de sucesos del agujero negro. Este diagrama muestra que es la energía que proviene del exterior del horizonte de eventos lo que crea la radiación, lo que significa que el agujero negro debe perder masa para compensar. Crédito de la imagen: E. Siegel Pero la verdadera explicación no se presta muy bien a una visualización, y eso preocupa a mucha gente. Lo que debe calcular es cómo se comporta la teoría del campo cuántico del espacio vacío en la región altamente curva alrededor de un agujero negro. No necesariamente en el horizonte de sucesos, sino en una región esférica grande fuera de él. Al realizar el cálculo de la teoría cuántica de campos en el espacio curvo se obtiene una solución sorprendente: la radiación térmica del cuerpo negro se emite en el espacio que rodea el horizonte de sucesos del agujero negro. Y cuanto menor es el horizonte de eventos, mayor es la curvatura del espacio cerca del horizonte de eventos, y por lo tanto, mayor es la velocidad de la radiación de Hawking. A medida que un agujero negro se contrae en masa y radio, la radiación de Hawking que emana de él se vuelve más y más grande en temperatura y potencia. Una vez que la tasa de descomposición excede la tasa de crecimiento, la radiación de Hawking solo aumenta la temperatura y la potencia. Crédito de la imagen: NASA Sin embargo, bajo ninguna circunstancia, podemos concluir que algo cruza el horizonte del evento desde adentro hacia afuera. La radiación de Hawking proviene del espacio exterior al horizonte de sucesos y se propaga fuera del agujero negro. La pérdida de energía disminuye la masa del agujero negro central, lo que lleva a la evaporación total. La radiación de Hawking es un proceso increíblemente lento, donde un agujero negro que la masa de nuestro Sol tardaría 10^67 años en evaporarse; el que está en el centro de la Vía Láctea requeriría 10^87 años, ¡y los más masivos del Universo podrían demorar hasta 10^100 años! Y cada vez que un agujero negro se descompone, lo último que se ve es un destello de radiación brillante y enérgico y partículas de alta energía. Contra un fondo aparentemente eterno de oscuridad eterna, un solo destello de luz emergerá: la evaporación del agujero negro final en el Universo. Crédito de la imagen: ortega-pictures / pixabay Estos últimos pasos de decaimiento, que no ocurrirán hasta mucho después de que la estrella final se haya extinguido, son los últimos jadeos de energía que el Universo tiene que emitir. A su manera, es el Universo el que intenta, por última vez, crear un desequilibrio energético y una oportunidad para la creación de estructuras complejas. Cuando el último agujero negro se descomponga, será el intento final del Universo de decir lo mismo que dijo al comienzo del Big Bang caliente, "¡Que haya luz!" ¡Envía tus preguntas sobre Ask Ethan a startswithabang en gmail dot com! With a little help from Google Translate for Business