Evaporación do buraco negro (efecto Hawking)

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

• Astronomia
• Sariak

Dar una visión clásica dos buracos negros non é moi difícil. O buraco negro é un corpo que inxere todas e cada una das cousas que lle rodean a través do seu violento campo gravitatorio, incluso as máis rápidas, como a luz. Non salgue nada del, nin radiación nin nada máis. É dicir, absorbe todo e non emite. Deste xeito, inxere sen parar enerxía e materia, aumentando de forma ininterrompida. Por tanto, a idea da sustentabilidade xorde da imposibilidade de que o buraco negro desapareza.

En canto á invisibilidad, debido á violenta zona gravitatoria, o buraco negro non pode emitir radiación, polo que é invisible desde o exterior. Antes de avanzar, con todo, convén matizar o devandito. A materia que atrae o buraco negro móvese a unha velocidade vertixinosa. Os rozamentos e impactos que se producen neste proceso de caída son moi intensos e nesta situación os átomos non son capaces de manter a súa estrutura, converténdose en plasma. A temperatura do plasma é moi alta e emite principalmente raios X. Como consecuencia deste fenómeno, a contorna do buraco negro pode observarse a distancia, pero está claro que esta radiación non corresponde ao buraco negro senón á materia que o rodea.

En 1974 esta visión clásica do buraco negro rompe, Stephen W. Polo descubrimento de Hawking. Durante esta época dedicábase a investigar os fenómenos cuánticos que se producen ao redor dos buracos negros microscópicos, e propuxo a existencia destes corpos que se crían nos primeiros tempos do Universo. O resultado das investigacións realizadas neste sentido foi que o buraco negro emite espontaneamente radiación térmica.

Sendo tan violento o campo gravitatorio ao redor dos buracos negros, como se pode emitir? Paira responder a esta pregunta, debemos utilizar o principio que é un dos alicerces da Mecánica Cuántica, o principio de incerteza de Heisenberg. Este principio foi postulado por primeira vez en 1927 e aplícase principalmente ao mundo microscópico. Una dos seus formulaciones dinos: “Paira tempos relativamente pequenos existe una incerteza moi elevada en enerxía” e matematicamente exprésase como:

... t * H

onde H= h/2> (h, constante de Planck), desviación de enerxía e t é o intervalo de tempo. Noutras palabras, durante calquera tempo non é posible coñecer con precisión a enerxía e por iso, no mundo microscópico, a enerxía non pode tomar valores concretos, como cero. Por outra banda, grazas á teoría da Relatividad Especial de Einstein, sabemos que a enerxía e a materia son dúas caras da mesma moeda. Por tanto, calquera fluctuación enerxética pode converterse en materia. É dicir, dos principios da Mecánica Cuántica dedúcese que en moi pouco tempo a materia pode xurdir da nada. Por iso, o baleiro da Mecánica Cuántica non é o estado da falta de campo, de partículas e de enerxía, como ocorre na Mecánica Clásica, senón o estado de menor enerxía. Por iso, pódese dicir que o baleiro non está baleiro.

No baleiro cuántico, os pares de partículas antipartículas están a formarse constantemente. Estas parellas denomínanse fluctuaciones do baleiro e a súa vida media é moi curta. Por exemplo, a distancia entre a formación e a destrución do par de electróns e positrones é de entre 10 e ²¹ segundos e dous mil veces menor que a vida do par de protones e antiprotones. Por que hai diferenzas deste tipo? O protón é máis pesado que o electrón, polo que a enerxía da fluctuación debe ser maior paira producir protón, polo que a vida media das partículas pesadas será menor.

Dado que estes tempos son moi reducidos, as fluctuaciones non poden detectarse directamente. Por iso, as partículas das fluctuaciones denomínanse virtuais. No entanto, a presenza destas partículas pode demostrarse a través de fenómenos derivados da súa propia influencia, como o efecto Lamb deslizamiento. Neste efecto, os niveis enerxéticos do átomo de hidróxeno sofren un deslizamiento debido á influencia de párelos virtuais.

Despois do devandito, o lector prudente pode pensar que relación existe entre a radiación de calquera buraco negro e as fluctuaciones cuánticas? Paira tentar aclaralo, como fixo Hawking, debemos analizar as fluctuaciones en torno ao propio buraco negro. Cando se crean ao redor do buraco negro, as parellas virtuais sofren una forte forza gravitatoria, pero este proceso non é o mesmo en todos os casos.

A forza gravitatoria varía moito a moi pouca distancia ao redor do buraco negro, polo que a influencia en cada un dos compoñentes desta parella é diferente. O aumento desta diferenza permitirá dividir as partes da parella, o que suporá una ruptura da estrutura da parella. Nestes casos, as partículas virtuais convértense en reais e por tanto medibles. Esta situación sen carga denomínase polarización do baleiro.

Cando a estrutura de parella antipartícula de partículas fórmase xunto ao orificio negro, poden producirse catro procesos (ver figura 2): a) caída e eliminación de partículas e antipartículas ao orificio negro, b) eliminación externa do par, c) caída da partícula ao orificio negro e d), ao revés, é dicir, a caída da antipartícula e a fuga de partículas.

Hawking estudou estas catro opcións e calculou as probabilidades de cada una delas. Segundo as súas probas, o proceso máis probable é o último. Isto indícanos que o número de antipartículas que caen ao buraco negro é maior que o de partículas. Se vimos analizar as súas consecuencias. Por unha banda, como os antiparts teñen enerxía negativa, a enerxía do buraco negro vai diminuíndo e con iso a súa masa. Se observamos este fenómeno desde fóra, podemos pensar que esas partículas que escapan son expulsadas polo buraco negro. Se se analiza externamente, obsérvase que o buraco negro se “evapora” e emite partículas.

Simulación do buraco negro.

Aí está, pois, o descubrimento de Hawking: a vaporización de buracos negros. Pero foi máis Hawking e postulou que a ese corpo correspóndelle una temperatura. A temperatura corrixe o modo de emisión, é dicir, o espectro de emisión é térmico e é igual ao que emite o “obxecto escuro” coa mesma temperatura. Ademais, a relación entre a temperatura do buraco negro e a masa é inversamente proporcional (ver gráfico 1). Así, canto menor sexa a masa, maior será a temperatura do corpo e, se a masa é grande, a temperatura será baixa.

Por exemplo, un buraco negro microscópico de mil millóns de toneladas terá una temperatura de 10 ¹² K. Ao aumentar a temperatura, tendo en conta que a emisión será maior, o buraco negro de pequena masa radiará moito máis que a masa grande, co que perderá a súa masa moito máis rápido. Ao perder a masa, a temperatura aumenta e con iso a radiación aumenta. A aceleración da radiación é consecuencia de todo iso. E por último, que ocorrerá cando a masa do buraco negro por emisión sexa moi pequena? Paira responder a isto necesitariamos a Teoría Cuántica da Gravitación, e ao non dispor dela, non é fácil contestar. Algunhas teorías sosteñen que o buraco negro desaparecerá mediante unha gran explosión de radiación, que ao parecer tería a potencia de millóns de bombas de H.

Por outra banda, a temperatura dos orificios negros de maior masa é despreciable. O buraco negro dunha masa solar terá una temperatura de 10 ^-7 K, moi inferior á da radiación de fondo que forma o Universo (2.7 K), polo que o buraco negro será menor que o da absorción. Por tanto, ata que a temperatura da súa ao redor sexa menor que a do buraco negro, o buraco negro irá gañando masa e enerxía, sendo o efecto cuántico despreciable.

Por tanto, a vaporización é un efecto cuántico, polo que é importante no caso dos buracos negros microscópicos. Pero se aplica en todos os buracos negros, tanto de xiro como de carga eléctrica. A investigación dos buracos negros pode ser máis importante si temos en conta, como algúns investigadores creen, que podería servir paira obter a Teoría Cuántica da Gravitación.

Na explicación deste efecto conflúen tres grandes áreas da Física: Gravitación, Termodinámica e Mecánica Cuántica. Isto indícanos que a suma da Física é profunda, aínda que a miúdo non sexa así. Dado que o grao de especialización dos científicos é cada vez maior, estes principios son practicamente esquecidos na actualidade. Recuperámolas algunha vez?