En el universo de 13.800 millones de años, cada agujero negro sigue creciendo y no ha decaído debido a la radiación de Hawking.
Los agujeros negros son los objetos más extremos de nuestro universo. Los agujeros negros generalmente se forman después de la muerte de una estrella masiva, con tanta masa concentrada en un volumen tan pequeño que nada en una determinada región del espacio alrededor del agujero negro puede escapar de su atracción gravitacional. Dentro del horizonte de sucesos del agujero negro, ni siquiera la propia luz puede escapar del agujero negro.
Pero esto no significa que el agujero negro existirá para siempre; al contrario, el agujero negro se irá desintegrando lentamente debido al fenómeno de la radiación de Hawking. Cuanto más fuerte es la curvatura del espacio más allá del horizonte de sucesos, más rápido se desintegra el agujero negro. Teniendo en cuenta la existencia de agujeros negros en nuestro universo, cabría preguntarse cuántos agujeros negros casi se han desintegrado o cuántos se están desintegrando actualmente. Después de 13.800 millones de años, la sorprendente respuesta es cero.
Hasta donde sabemos, sólo hay tres formas en las que el universo creó originalmente los agujeros negros. Estas tres formas de crear un agujero negro son las siguientes:
Se sabe que estos tres escenarios ocurren y nos dicen qué tipos de agujeros negros existen en el universo.
El umbral mínimo para los agujeros negros parece estar en torno a las 2,5 masas solares. Si la masa del objeto está por debajo de este umbral, las supernovas individuales o las fusiones solo darán como resultado la formación de una estrella de neutrones; la presión generada por una sola partícula es lo suficientemente fuerte como para sostener el objeto y evitar el colapso gravitacional. Sin embargo, si el cuerpo celeste excede la masa máxima de una estrella de neutrones (si no gira, su masa es de 2,5 masas solares, y para las estrellas de neutrones que giran más rápido, su masa no excede las 2,75 masas solares), el cuerpo celeste forma inevitablemente un agujero negro.
Pero también es fácil formar agujeros negros más grandes y pesados. Las estrellas más masivas crean agujeros negros más masivos. Los agujeros negros se fusionan, absorbiendo y acumulando materia y energía. Cualquier objeto que pase por el horizonte de sucesos se suma a su masa total. Hasta ahora, la masa de los agujeros negros ha alcanzado decenas de miles de millones de veces la masa del Sol, y se ha descubierto una gran cantidad de estos agujeros negros.
Cada agujero negro tiene un horizonte de sucesos que lo rodea: una región de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Cualquier objeto que cruce el límite del horizonte, tenga masa o no, eventualmente encontrará la singularidad central del agujero negro, aumentando así la energía total del agujero negro. Sin embargo, si la masa o la energía del agujero negro aumentan, entonces el tamaño físico del horizonte de sucesos también aumenta.
Aquí hay un hecho misterioso sobre todos los agujeros negros: cuanta más masa (o energía) tienen, mayor es el tamaño físico de su horizonte de sucesos. Duplica la masa y duplica el radio de visión. El horizonte de sucesos de un agujero negro con una masa de 6 mil millones de masas solares es mil millones de veces mayor que el de un agujero negro con una masa de sólo 6 masas solares. De hecho, la razón por la que podemos obtener imágenes directamente del horizonte de sucesos de un agujero negro es porque tenemos un enorme agujero negro supermasivo ubicado a 50 millones de años luz de distancia.
Pero lo más profundo de los agujeros negros es que emiten radiación constantemente, lo que hace que pierdan masa lentamente y se evaporen. El principio básico es que los campos cuánticos siempre están presentes, incluso en el espacio completamente vacío, incluso si no hay materia ni energía. El hecho de que tengamos fuerzas e interacciones fundamentales en este universo significa que los reinos que las gobiernan están en todas partes. La solución del "espacio vacío" (o estado de vacío) es el estado de energía más bajo que estos campos pueden tener.
Pero todos estos cálculos se realizan en un espacio plano y sin distorsiones. Si el espacio está distorsionado, y especialmente si está muy fuertemente distorsionado (como cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro), el estado de energía más bajo del campo diferirá de la solución del espacio plano. La radiación de Hawking se descubrió calculando las importantes diferencias entre el espacio deformado (cerca del agujero negro) y el espacio plano (lejos del agujero negro).
Lo que aprendemos de la radiación de Hawking es muy importante. Nos dice:
Esto puede ser un resultado contrario a la intuición, pero dado que los agujeros negros más grandes y masivos tienen horizontes de sucesos más grandes, la tasa de radiación de Hawking es más rápida para los agujeros negros de menor masa, los de mayor energía. En otras palabras, los agujeros negros más pequeños y de menor masa son los que se evaporan más rápido. Si queremos saber qué tan rápido se desintegran los agujeros negros más rápidos, debemos observar el agujero negro de masa más pequeña que podamos crear: 2,5 masas solares.
Por supuesto, estos agujeros negros no existen de forma aislada en otras partes del universo. Ellos, como cualquier otra cosa, probablemente encontrarán todo lo que existe: estrellas, planetas, gas, polvo, plasma, cuerpos celestes, materia oscura, radiación y más.
Incluso si se imagina el caso más extremo (un agujero negro en lo profundo del espacio intergaláctico sin materia a su alrededor), todavía tendría que lidiar con dos fuentes principales de radiación: la luz de las estrellas y el brillo remanente del Big Bang.
Hay alrededor de billones de galaxias en el universo. En promedio, cada galaxia contiene cientos de miles de millones de estrellas. La energía total acelerada en el universo en forma de luz estelar es enorme: alrededor de 8 millones por metro cúbico. del espacio. La energía de los electronvoltios. Pero el fondo cósmico de microondas, el resplandor del Big Bang, produce 30 veces más energía que esta.
Esto significa que debemos comparar las dos tasas para saber si el agujero negro está decayendo activamente (perdiendo más energía de la que gana) o creciendo (ganando más energía de la que pierde) con el tiempo). La radiación de Hawking emitida por el agujero negro de masa más pequeña que el universo puede producir es la tasa máxima de pérdida de masa y energía, mientras que la energía absorbida por el agujero negro de la luz de las estrellas y el fondo cósmico de microondas es la tasa mínima de ganancia de masa y energía.
Entonces, ¿qué obtenemos cuando hacemos estos cálculos?
En otras palabras, ni siquiera está cerca. Un solo fotón del fondo cósmico de microondas transporta en promedio 1 millón de veces más energía que la radiación de Hawking emitida por segundo por un agujero negro real. Suponiendo que un agujero negro de 2,5 masas solares absorba 10^25 fotones por segundo, es obvio que cada agujero negro del universo está creciendo, no decayendo. Si quieres que un agujero negro se desintegre más rápido, tienes dos opciones:
Si tuvieras un agujero negro con solo la masa de Mercurio, su tasa de radiación de Hawking sería lo suficientemente grande como para equilibrar la radiación absorbida, pero El agujero negro más pequeño sigue siendo 14 millones de veces más masivo que Mercurio. Si esperamos hasta unos 10^20 años después del nacimiento del universo, la energía de la luz estelar absorbida y la radiación cósmica de fondo de microondas eventualmente caerá por debajo de la energía emitida por la radiación de Hawking, pero esto no sucederá hasta que el universo sea 10 mil millones de veces más grande. de lo que es ahora. Sigue siendo cierto que todos los agujeros negros que existen en el universo deberían emitir radiación de Hawking y, con el tiempo suficiente, todos acabarán descomponiéndose. Pero hasta ahora, ningún agujero negro ha comenzado siquiera a desintegrarse de manera significativa en nuestro universo, basándose en los agujeros negros que realmente existen. La cantidad y energía de la radiación de la luz de las estrellas y los restos del Big Bang aseguran que el agujero negro absorba y crezca mucho más rápido de lo que pierde energía por la radiación de Hawking.
Aunque han pasado más de 45 años desde que Hawking descubrió por primera vez que los agujeros negros sí emiten radiación y que la radiación que emiten parece ser emitida, simplemente es demasiado débil y escasa para que podamos detectarla. A menos que exista un agujero negro de muy baja masa, o estemos dispuestos a esperar un enorme tiempo cósmico para que el universo se enfríe, nunca lo veremos. Los agujeros negros crecen, no decaen, y eso es exactamente lo que nos dice la astrofísica.