Astronomia

Teoricamente cosa succede a un buco nero che evapora?

Teoricamente cosa succede a un buco nero che evapora?

In teoria, un buco nero in evaporazione rimane un buco nero finché non evapora nel nulla? O si trasforma in qualcos'altro una volta evaporato al di sotto di una certa massa?


Assolutamente sconosciuto.

Così Hawking ha proposto la radiazione, che riduce la massa del buco nero (BH) mediante la radiazione del corpo nero. La temperatura effettiva è antiproporzionale alla massa del BH. Nel documento collegato, Hawking conclude che i BH finiscono in "esplosioni abbastanza piccole per gli standard astronomici".

Esistono diverse soluzioni alle equazioni della relatività generale che producono buchi neri, non solo la comune metrica di Schwarzschild. Se la singolarità della curvatura o l'orizzonte degli eventi svaniscono prima che il BH evapori completamente, dipende dalla struttura interna del BH. Poiché qualsiasi massa, anche molto piccola, può diventare BH se la si comprime abbastanza, potrebbe esserci una singolarità fino alla fine (non tenendo conto della meccanica quantistica). D'altra parte un "orizzonte degli eventi evanescente" non è qualcosa di cui dovremmo parlare in senso stretto, perché allora non era un orizzonte degli eventi in primo luogo. Potresti vedere i problemi incombenti con i resti di buchi neri.

Inoltre: secondo il teorema del no-hair, i BH sono completamente caratterizzati da massa, carica elettrica e momento angolare. Se riesci a vedere un residuo, ad es. un grumo di materia, potresti derivare le sue proprietà complete solo dai tre precedenti?

Nella ricerca, un residuo sembra essere generalmente indesiderato ma possibile. Questa carta fresca e inedita salta sul carro e propone buchi bianchi come resti. Quindi il dibattito sulla fine dei BH e le loro implicazioni teoriche sull'informazione è ancora un argomento caldo.

Dichiarazione di non responsabilità: non sono uno specialista BH. (E sto aspettando il momento in cui "specialista del buco nero" è una designazione di lavoro artigianale.)


Secondo la teoria della relatività generale, la massa deforma lo spaziotempo. Nel buco nero, la sua massa provoca un'elevata curvatura dello spaziotempo (curvatura infinita al suo centro chiamata singolarità). Quando il buco nero evapora, la sua massa diminuisce quindi la sua capacità di avvolgere lo spaziotempo diminuisce e quando evapora completamente non ci sarà distorsione dello spaziotempo. Quindi diventerà uno spazio normale senza zero/molto meno curvatura dello spazio-tempo.


Qualsiasi oggetto il cui raggio è più piccolo del suo raggio di Schwarzschild è chiamato buco nero. Il raggio di Schwarzschild è dato come $$ r_s = frac{2GM}{c^2}$$ dove G è la costante gravitazionale, M è la massa dell'oggetto e c è la velocità della luce.

Ciò che è importante notare qui è che questo è un lineare relazione; in altre parole, il raggio diminuisce in proporzione esatta alla diminuzione della massa. Ci aspetteremmo quindi che il buco nero continui a comportarsi come un buco nero fino al punto di evaporare completamente.

Dico "praticamente", perché ciò che accade nel punto di evaporazione finale è che la densità e la temperatura del buco nero si avvicinano all'infinito mentre la sua massa e il raggio di Schwarzschild si avvicinano allo zero. La fisica a quel punto è ben oltre le mie modeste capacità/conoscenze; Sospetto che i nostri modelli attuali si rompano a un raggio inferiore alla lunghezza di Planck.


Colmare il buco nella teoria del buco nero di Hawking

Professor Chris Adami, Fisica e Astronomia. Credito: G.L. Kohuth

(Phys.org) —Recentemente i fisici hanno di nuovo fatto buchi nella teoria del buco nero di Stephen Hawking, incluso lo stesso Hawking. Per decenni i fisici di tutto il mondo hanno cercato di capire i misteri dei buchi neri, quelle affascinanti entità mostruose che hanno un'attrazione gravitazionale così intensa che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire da loro. Ora il professor Chris Adami, della Michigan State University, è saltato nella mischia.

Il dibattito sul comportamento dei buchi neri, in corso dal 1975, è stato riacceso quando Hawking ha pubblicato un blog il 22 gennaio 2014, affermando che gli orizzonti degli eventi – i confini invisibili dei buchi neri – non esistono.

Hawking, considerato il massimo esperto di buchi neri, nel corso degli anni ha rivisto la sua teoria e continua a lavorare sulla comprensione di questi enigmi cosmici.

Una delle tante perplessità è un dibattito decennale su cosa succede all'informazione – materia o energia e le loro caratteristiche a livello atomico e subatomico – nei buchi neri.

"Nel 1975, Hawking ha scoperto che i buchi neri non sono tutti neri. In realtà irradiano un bagliore senza caratteristiche, ora chiamato radiazione di Hawking", ha detto Adami. "Nella sua teoria originale, Hawking ha affermato che la radiazione consuma lentamente il buco nero e alla fine evapora e scompare, concludendo che le informazioni e tutto ciò che entra nel buco nero sarebbero irrimediabilmente perse".

Ma questa teoria ha creato un problema fondamentale, soprannominato il paradosso dell'informazione. Ora Adami crede di averlo risolto.

"Secondo le leggi della fisica quantistica, le informazioni non possono scomparire", ha detto Adami. "Una perdita di informazioni implicherebbe che l'universo stesso diventerebbe improvvisamente imprevedibile ogni volta che il buco nero inghiotte una particella. Questo è semplicemente inconcepibile. Nessuna legge della fisica che conosciamo permette che ciò accada".

Quindi, se il buco nero risucchia informazioni con la sua intensa attrazione gravitazionale, poi scompare del tutto, informazioni e tutto, come possono essere preservate le leggi della fisica quantistica?

La soluzione, dice Adami, è che l'informazione è contenuta nell'emissione stimolata di radiazione, che deve accompagnare la radiazione di Hawking, il bagliore che rende un buco nero non così nero. L'emissione stimolata fa risplendere il buco nero nelle informazioni che ha ingoiato.

"L'emissione stimolata è il processo fisico alla base dei LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Fondamentalmente, funziona come una fotocopiatrice: si lancia qualcosa nella macchina e ne escono due identici.

"Se si lanciano informazioni a un buco nero, appena prima che venga inghiottito, il buco nero fa prima una copia che viene lasciata all'esterno. Questo meccanismo di copiatura è stato scoperto da Albert Einstein nel 1917 e senza di esso la fisica non può essere coerente", Adami disse.

Altri concordano con la teoria di Adami secondo cui l'emissione stimolata è il tassello mancante che risolve il paradosso dell'informazione?

Secondo Paul Davies, cosmologo, astrobiologo e fisico teorico dell'Arizona State University, "Secondo me Chris Adami ha identificato correttamente la soluzione al cosiddetto paradosso dell'informazione del buco nero. Ironia della sorte, è stato nascosto in bella vista per anni. Hawking's la famosa radiazione del buco nero è un esempio della cosiddetta emissione spontanea di radiazioni, ma è solo una parte della storia. Deve esserci anche la possibilità di emissione stimolata, il processo che mette la S nel LASER."

Con così tanti ricercatori che cercano di correggere la teoria di Hawking, perché ci è voluto così tanto tempo se si nascondeva in bella vista?

"Mentre alcune persone si sono rese conto che l'effetto dell'emissione stimolata mancava nel calcolo di Hawking, non potevano risolvere il paradosso senza una profonda comprensione della teoria della comunicazione quantistica", ha detto Adami. La teoria della comunicazione quantistica è stata progettata per capire come le informazioni interagiscono con i sistemi quantistici e Adami è stato uno dei pionieri della teoria dell'informazione quantistica negli anni '90.

Il tentativo di risolvere questo paradosso informativo ha tenuto sveglio Adami molte notti, come dimostrano i suoi spessi quaderni pieni di 10 anni di calcoli matematici.

Allora dove ci lascia questo, secondo Adami?

"La meravigliosa teoria di Stephen Hawking è ora completa secondo me. La teoria del buco nella teoria del buco nero è tappata e ora posso dormire la notte", ha detto.

Adami ora può dormire bene la notte, ma la sua teoria è sicura di far continuare gli altri fisici a cercare di confermare se ha effettivamente risolto il mistero.

Lo studio è stato co-autore di Greg Ver Steeg, University of Southern California ed è pubblicato online sulla rivista Gravità classica e quantistica.


Cosa succede alla materia che cade in un buco nero?

Domanda: Quindi una domanda da ignoranti. Se tutta la materia all'inizio fosse in un punto infinitamente piccolo così incredibilmente carico di energia quel peso colpirebbe lo spazio creando un buco nell'universo creando così il primo buco nero forse il contraccolpo dell'iniziale lacerazione dello spazio creerebbe un'esplosione tale che il materia conosciuta e ancora sconosciuta è il contraccolpo di un'esplosione così immensa? Inoltre, un buco nero si comporta come un tunnel attraverso lo spazio o lo spazio intermedio che scarica la sua materia nel non spazio riempiendo lentamente il non spazio di materia o attraversa un'altra posizione nello spazio eruttando l'energia nello spazio riciclando così l'energia? O un buco nero è un pozzo infinitamente profondo nello spazio come lo conosciamo e che risucchia continuamente tutta la materia e l'energia? — Sean

Risposta: Basandoci sull'attuale teoria accettata della struttura dei buchi neri, tutto ciò che possiamo dire è che la materia alla fine cade sulla singolarità, o punto in cui la forza gravitazionale è infinita, ed è quindi compressa in un singolo punto. Il tuo ultimo suggerimento è quello più coerente con ciò che i teorici credono sia la struttura all'interno di un buco nero. Come probabilmente puoi immaginare, è molto difficile ottenere misurazioni dei buchi neri che possiamo usare per vincolare meglio queste teorie, rendendole piuttosto aperte all'interpretazione.


Uno sguardo agli aspirapolvere celesti: i buchi neri

Fino all'immagine emblematica del fenomeno che si ergeva nel cuore della galassia M87, i buchi neri erano semplicemente un altro mito destinato a trascendere generazioni di astrofisici. L'immagine da 5 petabyte di Katie Bouman è stata una rivoluzione nella scienza nel suo insieme e una pietra miliare per l'umanità, in prima linea su giornali e riviste. Quindi cos'è esattamente un buco nero?

Un buco nero è il fenomeno naturale più denso nell'universo, con la stella di neutroni che è un secondo non così vicino. È una regione che esiste e deforma il tessuto stesso dello spazio-tempo. Un buco nero è costituito da una singolarità (un punto di densità infinita) nel suo stesso nucleo, che è avvolto da un orizzonte degli eventi, tristemente soprannominato "il punto di non ritorno". Ciò è dovuto al fatto che niente, nemmeno la luce (la cosa più veloce dell'universo) può sfuggire all'attrazione gravitazionale della singolarità. Come si formano questi fenomeni da incubo?

I buchi neri sono stelle morte. Per coincidenza, lo sono anche gli umani e ogni altro pezzo di materia nell'universo conosciuto. Quando la massa di una stella supera il limite di Chandrasekhar (di circa 1,4 masse solari), la sua energia dovuta alla fusione nucleare e alla pressione di degenerazione degli elettroni (la pressione causata dagli elettroni in rapido movimento con stati di alta energia) non è in grado di contrastare l'immensa gravità che viene esercitata verso l'interno . La stella quindi implode, in quella che chiamiamo una supernova. Mentre ciò accade, la maggior parte della sua materia viene lanciata verso l'esterno a una velocità estremamente elevata, lasciandosi dietro una sfera di materia superdensa. Se la massa di questa palla è maggiore di 3 masse solari, diventa un buco nero. Se è inferiore, diventa ciò che conosciamo come una stella di neutroni.

Nonostante l'idea popolare che i buchi neri siano solo in grado di attirare le cose, un certo professor Stephen Hawking ha teorizzato l'esistenza della radiazione di Hawking, un fenomeno in cui i buchi neri sembrano emettere particelle. A un'ispezione più attenta di Hawking, però, non è proprio così. Allora da dove vengono queste particelle?

Quando una coppia particella-antiparticella (particelle accoppiate con la stessa massa, ma la cui somma di energia è zero, ad esempio un elettrone e un positrone) appare, quasi sempre si annichilano a vicenda quasi istantaneamente e scompaiono, per non essere mai viste. Tuttavia, nel caso in cui una coppia particella-antiparticella appaia vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero, c'è la possibilità che una delle particelle cada nel buco nero mentre l'altra sfugga, quindi apparentemente "emessa" dal buco nero si. La teoria della radiazione di Hawking segue la seconda legge della termodinamica, la quale afferma che l'entropia (il grado di disordine) di un sistema aumenterà solo con il tempo. Senza entrare troppo nei dettagli, questa legge è spiegata dal fatto che una particella della coppia, (cioè la particella che sfugge) ha energia positiva, mentre l'altra (che cade dentro) ha energia negativa (ecco perché si possono sommare fino a zero e scompaiono), quindi diminuendo la massa del buco nero per diminuire leggermente quando cade dentro. Questo è il processo mediante il quale i buchi neri evaporano o decadono, ma ci vorrebbero più di 10 alla potenza 64 anni per un buco nero di 1 massa solare per evaporare, cioè 1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 anni.

Potrebbe sembrare un'ipotesi azzardata, ma non credo che la nostra generazione vivrà per vederlo accadere.


Teoricamente cosa succede a un buco nero che evapora? - Astronomia

Cosa succede a un buco nero alla fine della sua vita?

risposte:
Jeffrey K dice: I buchi neri evaporano molto lentamente a causa della radiazione di Hawking. Dopo circa 10^50 anni, un grande buco nero evaporerà completamente. Alla fine, c'è qualcosa come un'esplosione. Non si sa esattamente cosa succede alla singolarità. Ciò richiede la gravità quantistica per essere spiegato. Non abbiamo ancora quella teoria.
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CarolOklaNola dice: evapora e non esiste più. La radiazione di Hawking, i raggi X, i raggi cosmici ei neutrini SONO stati confermati.
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kurisutarusqueaker dicono: beh, nuove scoperte mostrano che evaporano. https://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_ra.
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Rowan dice: la radiazione di Hawking è completamente da provare, la velocità di fuga di un buco nero è superiore alla velocità della luce, tutte le forme di energia hanno gravità, i buchi neri supermassicci non evaporano, assorbono tutta l'energia, tutta la propulsione, inclusa l'energia oscura , qualunque cosa sia, che è anche un'incognita, e si girano e tornano, rompendosi insieme, causando il big bang, dando l'unica causalità possibile per il big bang, a parte Dio.

La chiesa cattolica ha soppresso in inglese la teoria dell'universo ciclistico di Einstein fino a cinque anni fa, gli ha inviato minacce di morte per i suoi libri in cui affermava di essere a favore del buddismo, semmai, e un anno dopo ha pubblicato la più popolare teoria dell'universo singolo, con un coautore. Il tizio che ha inventato la teoria del big bang era un prete cattolico ed è stata presa dalla maggior parte degli scienziati dell'epoca come prova della verità letterale della Genesi. Capisci? Non ci sono prove di questo, la teoria più popolare è assurda e non scientifica. Semmai si basa sul desiderio che sia vero, o su un presupposto del lavaggio del cervello della religione che fosse vero.
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Acetek dice: evaporano a causa della radiazione di Hawking
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Bob dice: non si esauriscono, svaniscono
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claustrofobo quantistico dice: diventa più piccolo man mano che la radiazione di Hawking porta via la sua massa, fino a quando alla fine evapora.
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YKhan dice: presumibilmente evapora a causa della radiazione di Hawking.
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Cosa succede alla sua roba quando un buco nero svanisce?

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Nonostante tutto il loro straordinario potere, i buchi neri non sono immortali.

Hanno un ciclo di vita proprio come noi. Quarant'anni fa Stephen Hawking, il più grande esperto mondiale di buchi neri, ha annunciato che evaporano e si restringono perché emettono radiazioni.

Ma se un buco nero evapora e si restringe, cosa succede a tutto ciò che ha divorato durante la sua vita?

La maggior parte dei calcoli matematici ha suggerito che le informazioni e tutto il resto all'interno del buco nero svaniscono semplicemente, una conclusione che ha sollevato più domande di quante ne abbia risposto.

"La questione non è mai stata messa a tacere perché il calcolo di Hawking non è stato in grado di catturare l'effetto che la radiazione, chiamata radiazione di Hawking, ha sul buco nero stesso", afferma Chris Adami, professore di fisica e astronomia. “I fisici presumevano che il buco nero si sarebbe ridotto nel tempo man mano che la radiazione di Hawking portava via la massa del buco nero, ma nessuno poteva verificarlo attraverso calcoli matematici.”

Un calcolo dell'evaporazione del buco nero sembrava impossibile, a meno che non si potesse trovare una teoria completa della gravità quantistica che unisse la relatività generale di Einstein con la struttura della teoria quantistica dei campi.

Il nuovo articolo di Adami, pubblicato su Lettere di revisione fisica, cambia questa premessa.

La teoria di Hawking, ma con una svolta

Adami e il collega Kamil Bradler dell'Università di Ottawa hanno sviluppato una nuova teoria che consente loro di seguire la vita di un buco nero nel tempo. Quello che trovano è sorprendente: qualunque mistero quantistico si nascondesse dietro l'orizzonte degli eventi del buco nero, il confine invisibile di un buco nero, lentamente fuoriesce durante le fasi successive dell'evaporazione del buco nero.

Con questa scoperta, viene evitato un importante problema di fisica del buco nero. I fisici hanno sostenuto strenuamente che non era possibile che tutte le informazioni quantistiche potessero rimanere nascoste all'interno del buco nero quando si fosse ridotto a dimensioni minuscole.

[Astronomi che buco nero rutta dopo aver mangiato una stella]

Si scopre che per dimostrare che i buchi neri non distruggono le informazioni per sempre mentre evaporano, Adami e Bradler non hanno dovuto creare la sfuggente teoria della gravità quantistica. Invece, hanno usato la stessa teoria di Hawking, ma con una svolta.

Per capire come un buco nero interagirebbe direttamente con la radiazione di Hawking che genera, Adami e Bradler hanno utilizzato una serie di sofisticati strumenti matematici e computer ad alte prestazioni per far evolvere i buchi neri in tempi sufficientemente lunghi fino a quando non sono stati in grado di trovare informazioni quantistiche al di fuori di i buchi neri.

Segni di curve di pagina

“Per eseguire questo calcolo, abbiamo dovuto indovinare come un buco nero interagisce con il campo di radiazioni di Hawking che lo circonda,” Adami. “Questo perché attualmente non esiste una teoria della gravità quantistica che possa suggerire una tale interazione. Tuttavia, sembra che abbiamo fatto un'ipotesi plausibile perché il nostro modello è equivalente alla teoria di Hawking nel limite dei buchi neri fissi e immutabili.

"Anche se il nostro modello è proprio questo, un modello, siamo stati in grado di dimostrare che è molto probabile che qualsiasi interazione quantistica tra buchi neri e radiazione di Hawking abbia le stesse proprietà del nostro modello", afferma Bradler.

[Allora, perché tutto il baccano sulle onde gravitazionali]

La teoria è stata in grado di riprodurre una caratteristica a lungo ricercata nella fisica dei buchi neri, le cosiddette "curve di pagina", che prendono il nome dal fisico Don Page dell'Università dell'Alberta. Il suo modello prevedeva le curve che mostrano le informazioni quantistiche prima in entrata e poi in uscita dal buco nero. Il calcolo di Adams e Bradler è il primo che ha prodotto curve proprio come quelle che Page aveva previsto.

Ma molto resta da fare. In linea di principio, l'ipotesi del team dovrebbe derivare dalla teoria unificata fondamentale della gravità quantistica ancora da scoprire. Ma in assenza di tale teoria, il successo della teoria di Adami e Bradler potrebbe fornire suggerimenti su come una tale teoria, una che va oltre quella di Hawking, potrebbe essere costruita.

Nella nuova era degli osservatori di onde gravitazionali che la scoperta di LIGO ha appena inaugurato, una tale teoria potrebbe anche un giorno essere testata.


Chiedi a Ethan: com'è quando cadi in un buco nero?

Dall'esterno di un buco nero, tutta la materia in caduta emetterà luce ed è sempre visibile, mentre . [+] nulla può uscire da dietro l'orizzonte degli eventi. Ma se tu fossi quello che è caduto in un buco nero, quello che vedresti sarebbe interessante e controintuitivo, e sappiamo come sarebbe effettivamente.

Andrew Hamilton, JILA, Università del Colorado

Ci sono molti modi terrificanti in cui l'Universo può distruggere qualcosa. Nello spazio, se provassi a trattenere il respiro, i tuoi polmoni esploderebbero se invece espirassi ogni molecola d'aria, diventeresti svenuto in pochi secondi. In alcuni luoghi, ti congeleresti in modo solido mentre il calore veniva risucchiato dal tuo corpo, in altri è così caldo che i tuoi atomi si trasformerebbero in un plasma. Ma di tutti i modi in cui l'Universo ha di disporre di qualcuno, non riesco a pensare a nessuno di più affascinante che mandare qualcuno all'interno di un buco nero. Così fa lo scienziato dell'Event Horizon Telescope Heino Falcke, che chiede:

[C] com'è essere/cadere all'interno di un buco nero rotante? Questo non è osservabile, ma calcolabile. Ho parlato con varie persone che hanno fatto questi calcoli, ma sto invecchiando e continuo a dimenticare le cose.

È una domanda tremendamente interessante ea cui la scienza può rispondere. Scopriamolo.

Un'illustrazione dello spaziotempo fortemente curvo, al di fuori dell'orizzonte degli eventi di un buco nero. Come ottieni. [+] sempre più vicino alla posizione della massa, lo spazio diventa più severamente curvo, portando infine a un luogo dall'interno dal quale nemmeno la luce può sfuggire: l'orizzonte degli eventi. Il raggio di quella posizione è determinato dalla massa del buco nero, dalla velocità della luce e dalle sole leggi della Relatività Generale. In teoria, dovrebbe esserci un punto speciale, una singolarità, in cui tutta la massa è concentrata per i buchi neri stazionari a simmetria sferica.

Utente di Pixabay JohnsonMartinMart

Secondo la nostra teoria della gravità, la Relatività Generale di Einstein, ci sono solo tre cose che determinano le proprietà di un buco nero. Sono i seguenti:

  1. Massa, o la quantità totale di materia e la quantità equivalente di energia (via E = mc 2 ) che è andato sia nella formazione che nella crescita del buco nero fino al suo stato attuale.
  2. Carica, o la carica elettrica netta che esiste nel buco nero da tutti gli oggetti con carica positiva e negativa che sono caduti nel buco nero nel corso della sua storia.
  3. Momento angolare, o spin, che è una misura della quantità totale di movimento rotatorio che il buco nero ha intrinsecamente.

Realisticamente, tutti i buchi neri che esistono fisicamente nel nostro Universo dovrebbero avere grandi masse, quantità significative di momento angolare e cariche trascurabili. Questo complica enormemente le cose.

Quando una stella abbastanza massiccia termina la sua vita, o due resti stellari sufficientemente massicci si fondono, un buco nero. [+] può formarsi, con un orizzonte degli eventi proporzionale alla sua massa e un disco di accrescimento di materia in caduta che lo circonda. Quando il buco nero ruota, ruota anche lo spazio sia all'esterno che all'interno dell'orizzonte degli eventi: questo è l'effetto del frame-dragging, che può essere enorme per i buchi neri.

ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser

Quando di solito pensiamo a un buco nero, immaginiamo il tipo molto più semplice: uno descritto solo dalla sua massa. Ha un orizzonte degli eventi che circonda un singolo punto e una regione che circonda quel punto da cui la luce non può sfuggire. Quella regione è perfettamente sferica e ha un confine che separa le regioni in cui la luce può sfuggire dalla regione in cui non può: l'orizzonte degli eventi. L'orizzonte degli eventi si trova a una distanza specifica (il raggio di Schwarzschild) dalla singolarità in tutte le direzioni allo stesso modo.

Questa è una versione semplificata di un buco nero realistico, ma un buon punto di partenza per pensare alla fisica che si verifica in due luoghi distinti: al di fuori dell'orizzonte degli eventi e all'interno dell'orizzonte degli eventi.

Una volta varcata la soglia per formare un buco nero, tutto all'interno dell'orizzonte degli eventi crolla. [+] a una singolarità che è, al massimo, unidimensionale. Nessuna struttura 3D può sopravvivere intatta.

Chiedi a The Van / Dipartimento di Fisica UIUC

Al di fuori dell'orizzonte degli eventi, la gravità si comporta proprio come ti aspetteresti convenzionalmente. Lo spazio è curvato dalla presenza di questa massa, che fa sì che ogni oggetto all'interno dell'Universo sperimenti un'accelerazione verso la singolarità centrale. Se dovessi partire a grande distanza da questo buco nero, a riposo, e lasciassi cadere un oggetto al suo interno, cosa vedresti?

Supponendo che tu fossi in grado di rimanere fermo, vedresti questo oggetto in caduta accelerare lentamente lontano da te, verso questo buco nero. Avrebbe accelerato verso l'orizzonte degli eventi, rimanendo dello stesso colore, e poi sarebbe successo qualcosa di strano. Sembrerebbe rallentare, svanire e diventare di colore più rosso. Non scomparirebbe del tutto, anche se non rapidamente, e mai. Invece, si avvicinerebbe a quello stato: diventando più debole, più rosso e più difficile da rilevare. L'orizzonte degli eventi è come un asintoto per la luce dell'oggetto, sarai sempre in grado di vederlo se guardi abbastanza bene.

L'impressione di questo artista raffigura una stella simile al Sole che viene lacerata dall'interruzione della marea mentre si avvicina a un . [+] buco nero. Gli oggetti che sono caduti in precedenza saranno ancora visibili, anche se la loro luce apparirà debole e rossa (facilmente spostata così lontano nel rosso da essere invisibili agli occhi umani) in proporzione al tempo trascorso da quando hanno attraversato l'orizzonte degli eventi.

ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser

Ora, immagina lo stesso scenario, ma questa volta, non immaginare di osservare da lontano l'oggetto che cade. Invece, immagina di essere tu stesso l'oggetto in caduta. L'esperienza che avresti sarebbe estremamente diversa.

L'orizzonte degli eventi sembra diventare molto più grande molto più velocemente di quanto ti aspetteresti, poiché la curvatura dello spazio diventa grave. Intorno all'orizzonte degli eventi, lo spazio è così distorto che inizi a vedere più immagini dell'Universo esterno, come se fossero riflesse e invertite.

E una volta attraversato l'orizzonte degli eventi, non solo vedresti ancora l'Universo esterno, ma una porzione dell'Universo all'interno dell'orizzonte degli eventi. La luce che hai ricevuto si spostava verso il blu, ma poi di nuovo verso il rosso, poiché inevitabilmente cadevi verso la singolarità. Negli ultimi istanti, lo spazio sembrerebbe bizzarramente completamente piatto.

La fisica di questo è complicata, ma i calcoli sono semplici e sono stati eseguiti in modo molto elegante da Andrew Hamilton dell'Università del Colorado in una serie di articoli che vanno dalla fine degli anni 2000 ai primi anni del 2010. Hamilton ha anche creato una serie di visualizzazioni spettacolari su ciò che vedresti cadendo in un buco nero, sulla base di questi calcoli.

Ci sono una serie di lezioni che possiamo imparare dall'esame di questi risultati, e molte di esse sono controintuitive. Il modo per cercare di dargli un senso è cambiare il modo in cui visualizzi lo spazio. Normalmente, pensiamo allo spazio come a un tessuto stazionario e pensiamo a un osservatore come "sbalzato" da qualche parte. Ma all'interno di un orizzonte degli eventi, sei sempre in movimento. Lo spazio è fondamentalmente in movimento - come un tappeto mobile - continuamente, spostando tutto in esso verso la singolarità.

Sia all'interno che all'esterno dell'orizzonte degli eventi, lo spazio scorre come un tapis roulant o una cascata. [+] a seconda di come vuoi visualizzarlo. All'orizzonte degli eventi, anche se corressi (o nuotassi) alla velocità della luce, non ci sarebbe alcun superamento del flusso dello spaziotempo, che ti trascina nella singolarità al centro.

Andrew Hamilton / JILA / Università del Colorado

Muove tutto così velocemente che anche se acceleri direttamente lontano dalla singolarità con una forza infinita, cadrai comunque verso il centro. Gli oggetti al di fuori dell'orizzonte degli eventi continueranno a vederti con la loro luce da tutte le direzioni, ma sarai sempre in grado di vedere solo una parte degli oggetti dall'interno dell'orizzonte degli eventi.

La linea che definisce il confine tra ciò che qualsiasi osservatore può vedere è matematicamente descritta da un cardioide, dove la componente del raggio più grande del cardioide tocca l'orizzonte degli eventi e la componente del raggio più piccolo termina alla singolarità. Ciò significa che la singolarità, anche se è un punto, non collega inevitabilmente tutto ciò che cade a tutto il resto. Se tu ed io cadiamo ai lati opposti dell'orizzonte degli eventi allo stesso tempo, non saremo mai in grado di vedere la luce dell'altro dopo che l'orizzonte è stato attraversato.

Quando cadi in un buco nero o semplicemente ti avvicini molto all'orizzonte degli eventi, alle sue dimensioni e alla sua scala. [+] appaiono molto più grandi delle dimensioni effettive. Per un osservatore esterno che ti guarda cadere, le tue informazioni verrebbero codificate sull'orizzonte degli eventi. Ciò che accade a quell'informazione mentre il buco nero evapora è ancora senza risposta.

Andrew Hamilton / JILA / Università del Colorado

La ragione di ciò è il tessuto sempre in movimento dell'Universo stesso. All'interno dell'orizzonte degli eventi, lo spazio si muove più velocemente della luce, ed è per questo che nulla potrà mai sfuggire al buco nero. È anche il motivo per cui, una volta all'interno del buco nero, inizi a vedere cose bizzarre come più immagini dello stesso oggetto.

Puoi capirlo facendo una domanda come "dov'è la singolarità?"

Dall'interno dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, se ti muovi in ​​qualsiasi direzione, alla fine incontrerai la singolarità stessa. Pertanto, sorprendentemente, la singolarità appare in tutte le direzioni! Se i tuoi piedi sono puntati direttamente nella direzione in cui stai accelerando, li vedrai sotto di te, ma li vedrai anche sopra di te. Tutto questo è semplice da calcolare, anche se è tremendamente controintuitivo. E questo è solo per il caso semplificato: il buco nero non rotante.

Nell'aprile del 2017, tutti e 8 i telescopi/array di telescopi associati a Event Horizon. [+] Telescopio puntato su Messier 87. Ecco come appare un buco nero supermassiccio, dove l'orizzonte degli eventi è chiaramente visibile. Solo attraverso VLBI potremmo ottenere la risoluzione necessaria per costruire un'immagine come questa, ma esiste il potenziale per migliorarla un giorno di un fattore centinaia. L'ombra è coerente con un buco nero rotante (Kerr).

Collaborazione Event Horizon Telescope et al.

Ora, veniamo al caso fisicamente interessante: dove gira il buco nero. I buchi neri devono la loro origine a sistemi di materia, come le stelle, che ruotano sempre a un certo livello. Nel nostro Universo (e nella Relatività Generale), il momento angolare è una quantità assolutamente conservata per qualsiasi sistema vicino non c'è modo di liberarsene. Quando un insieme di materia collassa fino a un raggio più piccolo del raggio di un orizzonte degli eventi, il momento angolare rimane intrappolato al suo interno, proprio come fa la massa.

La soluzione che otteniamo ora è molto più complicata. Einstein presentò la Relatività Generale nel 1915 e Karl Schwarzschild derivò la soluzione del buco nero non rotante un paio di mesi dopo, all'inizio del 1916. Ma il passo successivo nel modellare questo problema in un modo più realistico - considerare cosa succederebbe se il nero il buco ha anche un momento angolare, invece della sola massa - non è stato risolto fino a quando Roy Kerr non ha trovato la soluzione esatta nel 1963.

La soluzione esatta per un buco nero con massa e momento angolare è stata trovata da Roy Kerr in . [+] 1963, e ha rivelato, invece di un singolo orizzonte degli eventi con una singolarità puntiforme, un orizzonte degli eventi interno ed esterno, nonché un'ergosfera interna ed esterna, più una singolarità ad anello di raggio sostanziale.

Matt Visser, arxiv:0706.0622

Ci sono alcune differenze fondamentali e importanti tra la soluzione più semplice e ingenua di Schwarzschild e la soluzione più realistica e complessa di Kerr. In nessun ordine particolare, ecco alcuni affascinanti contrasti:

  1. Instead of a single solution for where the event horizon is, a rotating black hole has two mathematical solutions: an inner and and outer event horizon.
  2. Outside of even the outer event horizon, there is a place known as the ergosphere, where space itself is dragged around at a rotational speed equal to the speed of light, and particles falling in there experience enormous accelerations.
  3. There is a maximum ratio of angular momentum to mass that is allowed if there is too much angular momentum, the black hole will radiate that energy away (via gravitational radiation) until it's below that limit.
  4. And, perhaps most fascinatingly, the singularity at the black hole's center is no longer a point, but rather a 1-dimensional ring, where the radius of the ring is determined by the mass and angular momentum of the black hole.

Shadow (black) & horizons and ergospheres (white) of a rotating black hole. The quantity of a, shown . [+] varying in the image, has to do with the relationship of angular momentum of the black hole to its mass. Note that the shadow as seen by the Event Horizon Telescope of the black hole is much larger than either the event horizon or ergosphere of the black hole itself.

Yukterez (Simon Tyran, Vienna) / Wikimedia Commons

With all this in mind, what happens when you fall inside a rotating black hole? The same thing that happens when you fall into a non-rotating black hole, except that all of space doesn't behave as though it's falling towards a central singularity. Instead, space also behaves as though it's getting dragged around along the direction of rotation, like a spinning vortex. The larger the ratio of angular momentum to mass, the faster it rotates.

While the concept of how spacetime flows outside and inside the (outer) event horizon for a rotating . [+] black hole is similar to that for a non-rotating black hole, there are some fundamental differences that lead to some incredibly different details when you consider what an observer who falls through that horizon will see of the outside (and inside) worlds. The simulations break down when you encounter the outer event horizon.

Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

This means that if you see something fall in, you'll see it get fainter and redder, but also smeared out into a ring or a disk along the direction of rotation. If you fall in, you'll get whipped around like you're on some maddening carousel that sucks you towards the center. And when you reach the singularity, it will be a ring different parts of your body will encounter the singularity — at the inner ergosurface of the Kerr black hole — at different spatial coordinates. As you approach the singularity from inside the event horizon, you'll gradually become unable to see the other parts of your own body.

The most profound piece of information you should take away from all of this is that the fabric of space itself is in motion, and the event horizon is defined as the location where even if you're able to move at the ultimate cosmic speed limit — the speed of light — in whatever direction you choose, you will always wind up encountering the singularity.

The visualizations by Andrew Hamilton are the best, most scientifically accurate simulations of what falling into a black hole truly looks like, and are so counterintuitive that all I can truly recommend is that you watch them over and over again until you fool yourself into thinking you understand it. It's eerie, beautiful, and if you're adventurous enough to ever fly yourself to a black hole and cross inside the event horizon, it'll be the last thing you ever see!


Solving the mystery of evaporating black holes

For decades physicists across the globe have been trying to unravel the mysteries of black holes &ndash those cosmic monstrosities that devour everything in their paths, from various forms of information to light.

But for all their extraordinary power, they are not immortal they have a life cycle just like we do. Forty years ago Stephen Hawking, the world&rsquos foremost expert on black holes, announced that they evaporate and shrink because they emit radiation.

At first, physicists were excited to learn about this life cycle, but then they became very perplexed. If a black hole evaporates and shrinks, what happens to everything it devoured during its lifetime?

Most mathematical calculations suggested that the information and everything else inside the black hole simply vanishes. And this discovery took physicists from being perplexed to worried.

The loss of this information violates cherished laws of physics and created one of several paradoxes about evaporating black holes that has never been solved. That is, until now, according to MSU&rsquos Chris Adami, professor of physics and astronomy.

&ldquoThe issue was never laid to rest because Hawking&rsquos calculation was not able to capture the effect that the radiation, called Hawking radiation, has on the black hole itself,&rdquo Adami said. &ldquoPhysicists assumed that the black hole would shrink in time as the Hawking radiation carries away the black hole&rsquos mass, but no one could verify this through mathematical calculations.&rdquo

A calculation of the black hole&rsquos evaporation seemed impossible, unless a full theory of quantum gravity that unites Einstein&rsquos general relativity with the framework of quantum field theory could be found.

Adami and colleague Kamil Bradler, University of Ottawa, have developed a new theory that allows them to follow a black hole&rsquos life over time. What they find is striking: whatever quantum mysteries were hiding behind the black hole event horizon &ndash the invisible boundary of a black hole &ndash slowly leak back out during the later stages of the black hole&rsquos evaporation.

With this finding, a major black hole physics problem is avoided. Physicists have argued strenuously that it was not possible that all quantum information could remain hidden within the black hole when it shrunk to minute sizes.

It turns out that to show that black holes do not destroy information forever as they evaporate, Adami and Bradler did not have to create the elusive theory of quantum gravity. Instead, they used Hawking&rsquos own theory, but with a twist.

To understand how a black hole would interact directly with the Hawking radiation it generates, Adami and Bradler used a set of sophisticated mathematical tools and high-performance computers to evolve the black holes over sufficiently long times until they were able to find quantum information outside of the black holes.

&ldquoTo perform this calculation, we had to guess how a black hole interacts with the Hawking radiation field that surrounds it,&rdquo Adami said. &ldquoThis is because there currently is no theory of quantum gravity that could suggest such an interaction. However, it appears we made a well-educated guess because our model is equivalent to Hawking&rsquos theory in the limit of fixed, unchanging black holes.&rdquo

&ldquoWhile our model is just that&mdasha model&mdashwe were able to show that any quantum interaction between black holes and Hawking radiation is very likely to have the same properties as our model,&rdquo Bradler said.

The theory was able to reproduce a feature long searched for in black hole physics, the so-called &ldquoPage curves,&rdquo named after University of Alberta physicist Don Page. His model predicted the curves that show the quantum information first entering, then exiting the black hole. Adams and Bradler&rsquos calculation is the first that yielded curves just like those Page had anticipated.

But much work remains to be done. In principle, the team&rsquos guess should follow from the yet-to-be-discovered fundamental unified theory of quantum gravity. But in the absence of that theory, the success of Adami and Bradler&rsquos theory may give hints as to just how such a theory&mdashone that goes beyond Hawking&rsquos&mdashcould be constructed. In the new era of gravitational wave observatories that the LIGO discovery just ushered in, such a theory may even one day be tested.


It can never leave that region. For all practical purposes the matter has disappeared from the universe. Once inside the black hole’s event horizon, matter will be torn apart into its smallest subatomic components and eventually be squeezed into the singularity.

There is nothing we could throw at a black hole that would do the least bit of damage to it. Even another black hole won’t destroy it– the two will simply merge into a larger black hole, releasing a bit of energy as gravitational waves in the process.


3 Answers 3

Does this mean that from some point in time black hole just will cease to be a black hole because it won't be massive enough?

No, once a black hole forms there's no turning back. It can lose mass via Hawking radiation, but (as far as we know) it cannot stop being a black hole until there's nothing left. There's no theoretical lower mass limit for a black hole. There is a possibility that right near the very end of the evaporation process that some quantum effect creates a stable remnant, but we need a proper theory of Quantum Gravity (which unites General Relativity with Quantum theory) to answer questions like that, and we don't yet have such a theory.

As the Wikipedia article explains, Hawking radiation is a very slow process for black holes with the mass of a typical star, and it's very cold, around a billionth of a degree above absolute zero. So it's very difficult to observe, even if you were close to the black hole. The evaporation rate gets faster and the temperature increases as the mass of the black hole gets smaller, but currently the universe is too warm for an isolated stellar black hole to lose mass: it gains far more energy from the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation than what it emits as Hawking radiation.

Hawking radiation is a process that's always there when you have an event horizon. With black holes, the strength of this radiation is a function of its size: The heavier the black hole, and thus the bigger the event horizon, the colder the Hawking radiation.

While the strength of the Hawking radiation approaches zero as you go to larger black holes, it never actually becomes zero. So, in a sense, black holes are never truly black. They always radiate a bit, and they always slowly loose weight due to that radiation.

So, if you isolate a black hole from any incoming radiation, it will slowly shrink, and by shrinking it will become brighter, so it will shrink more rapidly in a self-amplifying process. This self-amplification is so strong, that any sufficiently small black hole looses all its mass within a finite time.

So, for instance, a 1-second-life black hole has a mass of $2.28×10^5kg$ , equivalent to an energy of $2.05×10^<22>J$ that could be released by $5×10^6$ megatons of TNT. The initial power is $6.84×10^<21>W$ .

You see, a 300 ton heavy black hole is not black at all. Saying that it's white-hot is a severe understatement. It's so extremely bright that you just see a huge explosion that far exceeds the destructive power of all the worlds nuclear warheads taken together. And all this radiation is coming out of an object of subatomic size!

So, yes, black holes cease to be black as they shrink. Their Hawking radiation gives them the appearance of a perfectly black, more or less hot object. Big black holes are cooler than the cosmic microwave background, appearing as black as we can imagine. But smaller black holes glow with Hawking radiation. As the black hole shrinks, this glow goes all the way from a dim, reddish glow, over bright white light, brutally bright ultraviolet and deadly intensive X-rays to the destructive brightness of a nuclear warhead.

But all the time, it's just the Hawking radiation that you see. The singularity (or whatever happens to be within a black hole) remains shrouded behind the event horizon until the black hole has lost tutti its mass.

First, if we ignore quantum effects like Hawking radiation, then there would not be any limit to how small a black hole can be. Classical general relativity allows black-hole solutions with arbitrarily small mass $M>0$ , and the corresponding Schwarzschild radius (for a non-rotating black hole, which is the simplest case) is $R=2GM/c^2$ . If we take $M$ to be the mass of the earth, then $R$ comes out to be roughly one centimeter. If we take $M$ to be the mass of a large mountain, then $R$ comes out to be less than the radius of an atom (but more than the radius of a proton). Even though it's tiny, it's still a black hole &mdash at least if we ignore quantum effects like Hawking radiation.

Exactly how quantum effects change this picture is not yet understood, so I don't think we can definitively say when an evaporating black hole ceases to be a black hole. However, we have good reason to think that classical general relativity will remain a good approximation to the spacetime geometry as long as the mass of the black hole is much larger than the Planck mass $sqrt$ , which is a small fraction of a milligram. In particular, we have good reason to be confident that an evaporating black hole that starts with a typical stellar mass (or larger) will still be a black hole after it shrinks to earth-mass proportions, and presumably even after it shrinks to mountain-mass (subatomic) proportions.

(Note that this would take much, much longer than the current age of the universe, and even that's only if the black hole is radiating more than it's consuming, which is not likely in a universe filled with cosmic background radiation.)

This answer is based on an artificial mix of two different theories, classical general relativity and quantum physics, that we don't quite know how to combine yet. We have good reason to think that at some point, where both general-relativistic and quantum effects have competing magnitudes, the classical concept of spacetime will somehow break down. This must at least happen near the "singularity" that classical general relativity predicts inside a black hole, and for the entirety of any black hole that is not much larger than the Planck mass. Exactly what happens under those conditions is not yet known. However, as long as we only consider situations that are not that extreme, basing answers on the "artificial mix of two different theories" is a reasonable thing to do. Reasonable doesn't necessarily mean correct. just reasonable.


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