Buraco Negro / Radiação Hawking: Por que capturar apenas anti-partículas?

Eu posso ter algumas especificidades erradas aqui. Se assim for, não se concentre neles. Apenas se concentre no impulso geral da minha pergunta.

Entendo (tosse) que os pares partícula / antipartícula se formam espontaneamente no espaço. Entendo que eles podem se formar perto do horizonte de eventos de um buraco negro e que uma partícula pode cair, onde, como a outra partícula, mal consegue escapar. Eu entendo que um anti-partícula irá aniquilar com uma partícula. O que não entendo é por que apenas as antipartículas desses pares de partículas virtuais caem no buraco negro, enquanto os outros conseguem escapar. As partículas e as antipartículas não deveriam ter a mesma chance de cair ou apenas conseguir escapar?

Parece que deveria haver uma chance igual de a partícula ou a antipartícula ser capturada enquanto a outra "ejetada". Portanto, parece que o buraco negro deve estar de certa forma estável no que diz respeito à mudança de massa em relação às partículas virtuais.

Explicar?

Eu pensei que a antipartícula estava aniquilando com massa "normal" dentro do buraco negro? Não?

Não. Primeiro, as partículas e as antipartículas têm massa "normal" (se elas tiverem massa em primeiro lugar) e energia "normal" (positiva). A distinção entre eles é uma questão de convenção ou uma questão de qual tipo é mais comum no universo. Além disso, para buracos negros de massa típica, a maior parte da radiação Hawking seria feita de fótons, que, falando corretamente, nem possuem antipartículas, embora se possa dizer também que são suas próprias antipartículas.

As partículas e as antipartículas não deveriam ter a mesma chance de cair ou apenas conseguir escapar?

Sim, e os não carregados sim. Um buraco negro menor irradiaria neutrinos e anti-neutrinos, assumindo que todos os neutrinos são maciços (caso contrário, todos os buracos negros já o fariam) e um suficientemente pequeno (e, portanto, suficientemente quente) irradiaria elétrons e pósitrons. Muito grosso modo, um buraco negro irradiará quantidades não desprezíveis de partículas maciças quando a temperatura do buraco negro estiver na ordem da massa de partículas ou maior, em unidades naturais.

Parece que deveria haver uma chance igual de a partícula ou a antipartícula ser capturada enquanto a outra "ejetada".

Correto, com uma pequena exceção de que, se um buraco negro quente tiver carga elétrica, é mais provável que irradie partículas do mesmo sinal de carga.

Portanto, parece que o buraco negro deve estar de certa forma estável no que diz respeito à mudança de massa em relação às partículas virtuais.

Se uma partícula ou uma antipartícula cair em um buraco negro, sua massa aumentará. Não importa. Fundamentalmente, a "razão" da radiação de Hawking é que o estado de vácuo na teoria quântica de campos é um estado de menor energia, mas diferentes observadores podem discordar sobre qual estado é o vácuo. Assim, como as partículas flutuam sobre o vácuo, elas podem discordar sobre a existência ou não de partículas.

Não acho que exista uma boa maneira de reparar a história das "antipartículas em queda", exceto algum apelo indireto à conservação de energia: se a partícula que sai é real e tem energia positiva, a que caiu deve ter energia negativa e teria portanto, diminua a massa do buraco negro. Infelizmente, isso mostra apenas o que deve acontecer para que a situação seja consistente, e não que ela realmente aconteça.

Embora com algum conhecimento da relatividade geral, alguém possa motivá-lo um pouco mais - por exemplo, para o buraco negro de Schwarzschild, há conservação de energia fornecida por um campo vetorial de Killing, que vai do tempo para o espaço no horizonte - então o que é um externo o observador considera que tempo / energia seria espaço / momento dentro do buraco negro, e é permitido que o momento seja negativo.

Primeiro, gostaria de destacar e recomendar a resposta de @ user83692435, que veio primeiro e está correta. Expandindo-o:

A imagem de um par virtual partícula / antipartícula sendo criada e, em seguida, sendo engolida pelo horizonte de eventos, deixando o outro como real é uma analogia que fornece uma imagem do que está acontecendo, mas definitivamente não está correta. Os popularizadores continuam a usá-lo porque o que realmente está acontecendo é extremamente complexo e não é facilmente explicável em palavras. (E não vou tentar!) Mas aqui está um link para um artigo técnico sobre o assunto .

Mas talvez o ponto mais revelador contra a simples explicação seja que a radiação Hawking não vem do horizonte de eventos exigido pela analogia, mas do espaço exterior!

Um segundo ponto contra a analogia de Hawking é que o horizonte de eventos é muito profundo no poço potencial do buraco negro. Para que uma partícula ou fóton escape da BH (que a radiação Hawking deve), ela deve ser criada com energia adicional suficiente para escapar da BH - e uma BH pode ser pensada em um objeto com uma velocidade de escape maior que a velocidade da luz. Pequenas partículas virtuais fracassadas que perderam seu parceiro para o BH nunca conseguiriam entender.

Se você quiser se aprofundar um pouco mais, recomendo o blog Backreaction, de Sabine Hossenfelder, que tem um longo post com muitos links para mais informações. A reação posterior é um dos melhores blogs de popularização da física de fronteira atualmente, em parte significativa porque Hossenfelder é um pesquisador ativo e um bom escritor.

Você se lembrou um pouco de uma maneira comum (embora ruim) de descrever a radiação Hawking. Os popularizadores da física às vezes o descrevem como um par de partículas sendo criadas, uma das quais é matéria e a outra é matéria negativa. Ou um dos quais é antimatéria e o outro é antimatéria negativa. Portanto, seu próton escapa e seu próton de matéria negativa é absorvido. Ou seu antipróton escapa e seu antimatéria-negativo antipróton é absorvido. A matéria negativa (ou antimatéria negativa) encolhe o buraco negro.

Embora essa seja uma maneira comum de descrever coisas para não-físicos, é uma maneira ruim de descrevê-la. É confuso porque sugere a pergunta exata que você levantou: por que a matéria negativa não voa para fora e encolhe a primeira estrela ou planeta que ela atinge? Além disso, matéria negativa nunca foi detectada. Não há nenhuma razão particular para pensar que é uma construção útil para entender buracos negros. (Embora, se existir, você poderá usá-lo para estabilizar os buracos de minhoca, o que pode ser muito útil).

É melhor descrever a radiação Hawking como as outras respostas aqui, sem recorrer a partículas negativas virtuais.

Esta explicação da radiação Hawking como partículas virtuais se formando e uma partícula caindo no buraco negro é incompleta. Stephen Hawking originalmente imaginou um caminho do passado distante para o futuro distante e um nódulo geodésico (caminho da luz) que o viaja. Um buraco negro é formado no caminho da geodésica imediatamente antes de passar pelo local onde o buraco negro é formado. É a última geodésica a fazê-lo.
O vácuo não está vazio. Consiste em algumas vibrações devido ao princípio da incerteza. Este campo de vácuo é composto de muitos modos de frequência. Eles continuam criando pares antipartículas de partículas virtuais que se aniquilam. A anti-partícula pode ser considerada uma vibração no campo quântico com frequência negativa, ou seja, viajando de volta no tempo. O buraco negro formado cutuca algumas frequências do geodésico que passou. Assim, a geodésica cria seus campos a partir das frequências restantes. E como a antipartícula pode ser vista como partícula com a frequência que viaja para trás no tempo, sua frequência é sempre perdida no buraco negro e o campo cria uma partícula virtual a partir dos modos de frequência restantes.