Perché i buchi neri sono estremamente freddi?

"I buchi neri più massicci nell'Universo, i buchi neri supermassicci con milioni di volte la matematica del Sole avranno una temperatura di 1,4 x Kelvin. È basso. Quasi zero assoluto, ma non piuttosto. Un buco nero di massa solare potrebbe avere una temperatura di soli 0,00000006 Kelvin. "$10^{-14}$

5 settembre 2016 di Fraser Cain, Universe Today

I buchi neri assorbono ogni forma di energia, persino la luce. L'assorbimento di energia dovrebbe aumentare la sua temperatura ma è ancora estremamente freddo, perché?

Solo sotto la Relatività Generale (GR), l' orizzonte degli eventi di un Black Hole (BH) è un punto di non ritorno - tutto ciò che passa attraverso l'orizzonte degli eventi viene perso e sparito per sempre, e non viene fuori nulla . Quindi, sotto il solo GR, i BH sono completamente neri e non hanno affatto una temperatura.

Questo è il motivo per cui l'assorbimento delle radiazioni (o qualsiasi altra cosa) da parte di un BH non aumenta la sua temperatura - viene semplicemente ingoiato e perso. (Rimangono la massa, il momento angolare e la carica, ma questo è tutto - vedi il Teorema No Hair .)

(Nota: il disco di accrescimento che circonda un BH può essere davvero molto caldo, ma questa è completamente un'altra cosa.)

Stephen Hawking ha scoperto che l'applicazione della meccanica quantistica ai BH ha mostrato che i BH avrebbero emesso uno spruzzo casuale di radiazioni e che quella radiazione era esattamente ciò che un corpo nero avrebbe emesso - radiazione del corpo nero . Questo si chiama radiazione di Hawking .

Radiazione di corpo nero è semplicemente l'emissione termica di un perfetto assorbitore di radiazione, e porta alla conclusione che la BH ha una temperatura diversa da zero. È interessante notare che l'analisi di Hawking ha mostrato che la temperatura effettiva del BH è inversamente proporzionale alla sua massa e che i BH di massa solare (che sono i più piccoli per i quali abbiamo prove reali) avrebbero una temperatura di circa 0,00000006 K. Freddo, ma comunque non zero.

Si noti che, involontariamente, una massa solare BH diventa più fredda mentre assorbe le radiazioni. Poiché qualsiasi radiazione (o qualsiasi altra cosa) assorbe aumenta la sua massa, e poiché i BH di massa più alta sono più freddi, più energia si scarica in uno, più fredda diventa!

Hai già delle ottime risposte. Voglio solo sottolineare questo:

La "temperatura" di un buco nero è più simile a "solo un modo di parlare". Non è la temperatura come normalmente capito.

Esiste questo processo chiamato radiazione di Hawking in cui il vuoto vicino a un buco nero produce un flusso di particelle, prendendo in prestito energia dalla gravità del buco nero per creare quelle particelle - e quindi sembra che il buco nero "emetta" radiazione. Dato che si tratta di radiazioni, in teoria potresti misurarne la temperatura. Ma questa è solo la temperatura della radiazione Hawking.

Ovviamente non puoi infilare un termometro in un buco nero.

I buchi neri assorbono ogni forma di energia, persino la luce. L'assorbimento di energia dovrebbe aumentare la sua temperatura ma è ancora estremamente freddo, perché?

A causa dell'infinita dilatazione del tempo gravitazionale. La cosa da capire è che la temperatura è una misura del movimento. Un gas caldo è quello in cui le molecole si muovono, in media, più velocemente rispetto a un gas freddo. Vedi l' articolo sulla temperatura di Wikipedia e nota questo: "La temperatura teorica più fredda è lo zero assoluto, a cui il moto termico di tutte le particelle fondamentali nella materia raggiunge un minimo" . Dilatazione del tempo gravitazionale significa che le cose si muovono più lentamente. Quando la dilatazione del tempo gravitazionale è infinita, le cose non si muovono affatto. Questo è il motivo per cui il buco nero era originariamente noto come la stella congelata.

Stephen Hawking scrisse un articolo nel 1972 con Brandon Carter e Jim Bardeen in cui affermavano che "Va comunque sottolineato che κ / 8π e A sono distinti dalla temperatura e dall'entropia del buco nero. In effetti la temperatura effettiva di un buco nero è zero assoluto " .

Robert Wald ha detto lo stesso nella fisica del buco nero . A pagina 69 ha detto nella fisica classica del buco nero "κ non ha nulla a che fare con la temperatura fisica di un buco nero, che è zero assoluto secondo criteri ragionevoli" .

Si dice che il buco nero abbia una temperatura efficace in virtù della radiazione Hawking, ma come ha detto Fraser Cain, è molto basso. E come diceva Mark, "sotto il solo GR, i BH sono completamente neri e non hanno affatto una temperatura" . Ancora più importante, si dice che le radiazioni Hawking siano emesse dall'esterno dell'orizzonte degli eventi. Quindi in realtà non è la temperatura del buco nero. Proprio come "il disco di accrescimento che circonda un BH può essere davvero molto caldo", ma in realtà non è la temperatura del buco nero.

I buchi neri si irradiano, vedi radiazione di Hawking. E più materia assorbono, più diventano freddi

Affinché un buco nero evapori, l'energia deve sfuggire completamente dal suo potenziale pozzo. Per fare un'analogia piuttosto grossolana, se lanciamo un razzo dalla superficie della Terra, quindi al di sotto della velocità di fuga il razzo alla fine ricadrà. Il razzo deve avere una velocità maggiore della velocità di fuga per sfuggire completamente alla Terra.

Quando stiamo considerando un buco nero, piuttosto che la velocità di fuga, consideriamo lo spostamento rosso gravitazionale. Lo spostamento rosso riduce l'energia di qualsiasi radiazione in uscita, quindi riduce l'energia di qualsiasi radiazione emessa dallo stato di vuoto più caldo vicino all'orizzonte degli eventi. Se lo spostamento rosso è infinito, la radiazione emessa viene spostata rossa verso il nulla e in questo caso non vi sarà alcuna radiazione Hawking. Se lo spostamento rosso rimane finito, la radiazione emessa ha ancora un'energia diversa da zero mentre si avvicina all'infinito spaziale. In questo caso parte dell'energia fuoriesce dal buco nero, e questo è ciò che chiamiamo radiazione Hawking. Questa energia proviene in definitiva dall'energia di massa del buco nero, quindi la massa / energia del buco nero è diminuita della quantità o della radiazione che è fuggita. Si può organizzare una reazione che produce calore per aver luogo all'interno dell'orizzonte degli eventi di un buco nero. Ad esempio, posso rilasciare due blocchi freddi di materia sulle traiettorie in modo che si scontrino all'interno dell'orizzonte, producendo calore. Non c'è nulla di speciale nello spazio-tempo all'interno dell'orizzonte in questo senso, tranne che il calore della collisione non sarà visto dagli osservatori esterni a causa dell'orizzonte. Ciò che è insolito in questa regione è che in breve tempo (come sperimentato dagli oggetti) essi - e le emissioni di calore - incontreranno la singolarità e a questo punto non abbiamo alcuna teoria che descriva ciò che accade. Poiché la topologia della regione è tale che la singolarità è più simile a un punto nel tempo che a un luogo nello spazio, non vi è neppure calore persistente nello spazio interno né alcun senso di temperatura della singolarità.

Agli orizzonti degli eventi non importa se le cose che li attraversano sono energia o materia. Le ragioni per cui i dischi e i getti di accrescimento sono diversi: oggetti non neri come le stelle che si formano e anche le stelle di neutroni hanno dischi e getti. Fondamentalmente i dischi si verificano perché la materia interagisce e lentamente diffonde il momento angolare e l'energia potenziale attraverso interazioni turbolente e i getti si verificano perché il plasma risultante produce forti campi magnetici e blocca le radiazioni nella direzione equatoriale.

Ho preso riferimento da una risposta simile. John Rennie. /physics/251385/an-explanation-of-hawking-radiation/252236#252236

E di Anders Sandberg

/physics/476882/can-there-be-temperature-inside-of-a-massive-black-hole/476896#476896