Evaporació del forat negre (efecte Hawking)

1996/04/01 Campillo Robles, Jose Miguel - Fisika SailaZientzia eta Teknologia Fakultatea (EHU) Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astronomia
• Sariak

Donar una visió clàssica dels forats negres no és molt difícil. El forat negre és un cos que ingereix totes i cadascuna de les coses que li envolten a través del seu violent camp gravitatori, fins i tot les més ràpides, com la llum. No surt res d'ell, ni radiació ni res més. És a dir, absorbeix tot i no emet. D'aquesta manera, ingereix sense parar energia i matèria, augmentant de manera ininterrompuda. Per tant, la idea de la sostenibilitat sorgeix de la impossibilitat que el forat negre desaparegui.

Quant a la invisibilitat, a causa de la violenta zona gravitatòria, el forat negre no pot emetre radiació, per la qual cosa és invisible des de l'exterior. Abans d'avançar, no obstant això, convé matisar el que s'ha dit. La matèria que atreu el forat negre es mou a una velocitat vertiginosa. Els frecs i impactes que es produeixen en aquest procés de caiguda són molt intensos i en aquesta situació els àtoms no són capaços de mantenir la seva estructura, convertint-se en plasma. La temperatura del plasma és molt alta i emet principalment raigs X. Com a conseqüència d'aquest fenomen, l'entorn del forat negre pot observar-se a distància, però és clar que aquesta radiació no correspon al forat negre sinó a la matèria que l'envolta.

En 1974 aquesta visió clàssica del forat negre es trenca, Stephen W. Pel descobriment d'Hawking. Durant aquesta època es dedicava a investigar els fenòmens quàntics que es produeixen entorn dels forats negres microscòpics, i va proposar l'existència d'aquests cossos que es creien en els primers temps de l'Univers. El resultat de les recerques realitzades en aquest sentit va ser que el forat negre emet espontàniament radiació tèrmica.

Sent tan violent el camp gravitatori al voltant dels forats negres, com es pot emetre? Per a respondre a aquesta pregunta, hem d'utilitzar el principi que és un dels pilars de la Mecànica Quàntica, el principi d'incertesa d'Heisenberg. Aquest principi va ser postulat per primera vegada en 1927 i s'aplica principalment al món microscòpic. Una de les seves formulacions ens diu: “Per a temps relativament petits existeix una incertesa molt elevada en energia” i matemàticament s'expressa com:

... t * H

on H= h/2> (h, constant de Planck), desviació d'energia i t és l'interval de temps. En altres paraules, durant qualsevol temps no és possible conèixer amb precisió l'energia i per això, en el món microscòpic, l'energia no pot prendre valors concrets, com a zero. D'altra banda, gràcies a la teoria de la Relativitat Especial d'Einstein, sabem que l'energia i la matèria són dues cares de la mateixa moneda. Per tant, qualsevol fluctuació energètica pot convertir-se en matèria. És a dir, dels principis de la Mecànica Quàntica es dedueix que en molt poc temps la matèria pot sorgir del no-res. Per això, el buit de la Mecànica Quàntica no és l'estat de la falta de camp, de partícules i d'energia, com ocorre en la Mecànica Clàssica, sinó l'estat de menor energia. Per això, es pot dir que el buit no està buit.

En el buit quàntic, els parells de partícules antipartícules s'estan formant constantment. Aquestes parelles es denominen fluctuacions del buit i la seva vida mitjana és molt curta. Per exemple, la distància entre la formació i la destrucció del parell d'electrons i positrons és d'entre 10 i ²¹ segons i dos mil vegades menor que la vida del parell de protons i antiprotones. Per què hi ha diferències d'aquest tipus? El protó és més pesat que l'electró, per la qual cosa l'energia de la fluctuació ha de ser major per a produir protó, per la qual cosa la vida mitjana de les partícules pesants serà menor.

Atès que aquests temps són molt reduïts, les fluctuacions no poden detectar-se directament. Per això, les partícules de les fluctuacions es denominen virtuals. No obstant això, la presència d'aquestes partícules pot demostrar-se a través de fenòmens derivats de la seva pròpia influència, com l'efecte Lamb lliscament. En aquest efecte, els nivells energètics de l'àtom d'hidrogen sofreixen un lliscament degut a la influència dels parells virtuals.

Després del que s'ha dit, el lector prudent pot pensar quina relació existeix entre la radiació de qualsevol forat negre i les fluctuacions quàntiques? Per a intentar aclarir-ho, com va fer Hawking, hem d'analitzar les fluctuacions entorn del propi forat negre. Quan es creen al voltant del forat negre, les parelles virtuals sofreixen una forta força gravitatòria, però aquest procés no és el mateix en tots els casos.

La força gravitatòria varia molt a molt poca distància al voltant del forat negre, per la qual cosa la influència en cadascun dels components d'aquesta parella és diferent. L'augment d'aquesta diferència permetrà dividir les parts de la parella, la qual cosa suposarà una ruptura de l'estructura de la parella. En aquests casos, les partícules virtuals es converteixen en reals i per tant mesurables. Aquesta situació de buit es denomina polarització del buit.

Quan l'estructura de parella antipartícula de partícules es forma al costat de l'orifici negre, poden produir-se quatre processos (veure figura 2): a) caiguda i eliminació de partícules i antipartícules a l'orifici negre, b) eliminació externa del parell, c) caiguda de la partícula a l'orifici negre i d), a l'inrevés, és a dir, la caiguda de l'antipartícula i la fugida de partícules.

Hawking va estudiar aquestes quatre opcions i va calcular les probabilitats de cadascuna d'elles. Segons les seves proves, el procés més probable és l'últim. Això ens indica que el nombre d'antipartícules que cauen al forat negre és major que el de partícules. Si venim a analitzar les seves conseqüències. D'una banda, com els antiparts tenen energia negativa, l'energia del forat negre va disminuint i amb això la seva massa. Si observem aquest fenomen des de fora, podem pensar que aquestes partícules que escapen són expulsades pel forat negre. Si s'analitza externament, s'observa que el forat negre es “evapora” i emet partícules.

Simulació del forat negre.

Aquí està, doncs, el descobriment d'Hawking: la vaporització de forats negres. Però va ser més Hawking i va postular que a aquest cos li correspon una temperatura. La temperatura corregeix la manera d'emissió, és a dir, l'espectre d'emissió és tèrmic i és igual al que emet el “objecte fosc” amb la mateixa temperatura. A més, la relació entre la temperatura del forat negre i la massa és inversament proporcional (veure gràfic 1). Així, quant menor sigui la massa, major serà la temperatura del cos i, si la massa és gran, la temperatura serà baixa.

Per exemple, un forat negre microscòpic de mil milions de tones tindrà una temperatura de 10 ¹² K. En augmentar la temperatura, tenint en compte que l'emissió serà major, el forat negre de petita massa radiarà molt més que la massa gran, amb el que perdrà la seva massa molt més ràpid. En perdre la massa, la temperatura augmenta i amb això la radiació augmenta. L'acceleració de la radiació és conseqüència de tot això. I finalment, què ocorrerà quan la massa del forat negre per emissió sigui molt petita? Per a respondre a això necessitaríem la Teoria Quàntica de la Gravitació, i al no disposar d'ella, no és fàcil contestar. Algunes teories sostenen que el forat negre desapareixerà mitjançant una gran explosió de radiació, que pel que sembla tindria la potència de milions de bombes d'H.

D'altra banda, la temperatura dels orificis negres de major massa és menyspreable. El forat negre d'una massa solar tindrà una temperatura de 10 ^-7 K, molt inferior a la de la radiació de fons que forma l'Univers (2.7 K), per la qual cosa el forat negre serà menor que el de l'absorció. Per tant, fins que la temperatura del seu voltant sigui menor que la del forat negre, el forat negre anirà guanyant massa i energia, sent l'efecte quàntic menyspreable.

Per tant, la vaporització és un efecte quàntic, per la qual cosa és important en el cas dels forats negres microscòpics. Però s'aplica en tots els forats negres, tant de gir com de càrrega elèctrica. La recerca dels forats negres pot ser més important si tenim en compte, com alguns investigadors creuen, que podria servir per a obtenir la Teoria Quàntica de la Gravitació.

En l'explicació d'aquest efecte conflueixen tres grans àrees de la Física: Gravitació, Termodinàmica i Mecànica Quàntica. Això ens indica que la suma de la Física és profunda, encara que sovint no sigui així. Atès que el grau d'especialització dels científics és cada vegada major, aquests principis són pràcticament oblidats en l'actualitat. Les recuperem alguna vegada?