Por que os buracos negros são extremamente frios?

"Os buracos negros mais massivos do Universo, os buracos negros supermassivos com milhões de vezes a matemática do Sol terão uma temperatura de 1,4 x Kelvin. Isso é baixo. Quase zero absoluto, mas não Um buraco negro de massa solar pode ter uma temperatura de apenas 0,00000006 Kelvin. "$10^{-14}$

5 de setembro de 2016 por Fraser Cain, Universe Today

Os buracos negros absorvem toda forma de energia, inclusive a luz. A absorção de energia deve elevar sua temperatura, mas ainda é extremamente fria, por quê?

Somente na Relatividade Geral (GR), o horizonte de eventos de um Buraco Negro (BH) é um ponto sem retorno - qualquer coisa que atravessa o horizonte de eventos é perdida e perdida para sempre, e nada sai. Portanto, somente no GR, as BHs são totalmente negras e não têm temperatura.

É por isso que a absorção de radiação (ou qualquer outra coisa) por um BH não eleva sua temperatura - apenas é engolida e perdida. (É massa, momento angular e carga permanecem, mas é tudo - veja o Teorema Sem Pêlos .)

(Observação: o disco de acúmulo que envolve uma BH pode realmente estar muito quente, mas isso é outra coisa.)

Stephen Hawking descobriu que a aplicação mecânica quântica para BHs mostrou que BHs que emitem um spray aleatória de radiação, e que que a radiação foi precisamente o que um corpo negro emitiria - radiação de corpo negro . Isso é chamado radiação Hawking .

Radiação de corpo negro é simplesmente a emissão térmica de um absorvedor perfeito de radiação, e leva à conclusão inevitável de que um BH faz ter uma temperatura diferente de zero. Curiosamente, a análise de Hawking mostrou que a temperatura efetiva do BH é inversamente proporcional à sua massa e que os BHs de massa solar (que são os menores para os quais temos evidências reais) teriam uma temperatura de cerca de 0,00000006 K. Meio frio, mas ainda assim não zero.

Observe que, de maneira não intuitiva, uma massa solar BH fica mais fria à medida que absorve a radiação. Como qualquer radiação (ou qualquer outra coisa) que absorve aumenta sua massa, e como as BHs de massa mais alta são mais frias, quanto mais energia você despeja em uma, mais fria fica!

Você já tem respostas muito boas. Eu só quero salientar isso:

A "temperatura" de um buraco negro é mais como "uma maneira de falar". Não é temperatura como normalmente se entende.

Existe esse processo chamado radiação Hawking, onde o vácuo perto de um buraco negro produz uma corrente de partículas, emprestando energia da gravidade do buraco negro para criar essas partículas - e assim parece que o buraco negro "emite" radiação. Como se trata de radiação, você poderia, em teoria, medir sua temperatura. Mas essa é apenas a temperatura da radiação Hawking.

Obviamente, você não poderia colocar um termômetro em um buraco negro.

Os buracos negros absorvem toda forma de energia, inclusive a luz. A absorção de energia deve elevar sua temperatura, mas ainda é extremamente fria, por quê?

Por causa da infinita dilatação do tempo gravitacional. O que se deve entender é que a temperatura é uma medida de movimento. Um gás quente é aquele em que as moléculas estão, em média, se movendo mais rápido do que em um gás frio. Veja o artigo de temperatura da Wikipedia e observe o seguinte: "A temperatura teórica mais baixa é o zero absoluto, no qual o movimento térmico de todas as partículas fundamentais da matéria atinge um mínimo" . A dilatação do tempo gravitacional significa que as coisas estão se movendo mais devagar. Quando a dilatação do tempo gravitacional é infinita, as coisas não estão se movendo. É por isso que o buraco negro era originalmente conhecido como estrela congelada.

Stephen Hawking escreveu um artigo em 1972 com Brandon Carter e Jim Bardeen, onde eles disseram: "No entanto, deve-se enfatizar que κ / 8π e A são distintos da temperatura e entropia do buraco negro. De fato, a temperatura efetiva de um buraco negro é zero absoluto ” .

Robert Wald disse o mesmo na física dos buracos negros . Na página 69, ele disse na física clássica do buraco negro "κ não tem nada a ver com a temperatura física de um buraco negro, que é zero absoluto por qualquer critério razoável" .

Diz-se que o buraco negro tem uma temperatura efetiva em virtude da radiação Hawking, mas, como disse Fraser Cain, é muito baixa. E como Mark disse, "somente no GR, os BHs são totalmente pretos e não têm temperatura" . Mais importante, diz-se que a radiação Hawking é emitida fora do horizonte de eventos. Portanto, não é realmente a temperatura do buraco negro. Assim como "o disco de acúmulo que envolve uma BH pode estar muito quente", mas na verdade não é a temperatura do buraco negro.

Buracos negros irradiam, veja a radiação Hawking. E quanto mais matéria eles absorvem, mais frios ficam

Para um buraco negro evaporar, a energia precisa escapar completamente de seu poço potencial. Para fazer uma analogia bastante grosseira, se dispararmos um foguete da superfície da Terra, abaixo da velocidade de escape, o foguete acabará caindo. O foguete precisa ter uma velocidade maior que a velocidade de escape para escapar completamente da Terra.

Quando estamos considerando um buraco negro, em vez da velocidade de escape, consideramos o desvio gravitacional para o vermelho. O desvio para o vermelho reduz a energia de qualquer radiação emitida, reduzindo a energia de qualquer radiação emitida pelo estado de vácuo mais quente próximo ao horizonte de eventos. Se o desvio para o vermelho for infinito, a radiação emitida será desviada para o vermelho e, nesse caso, não haverá radiação Hawking. Se o desvio para o vermelho permanecer finito, a radiação emitida ainda terá uma energia diferente de zero à medida que se aproxima do infinito espacial. Nesse caso, alguma energia escapa do buraco negro, e é isso que chamamos de radiação Hawking. Essa energia vem basicamente da energia de massa do buraco negro, de modo que a massa / energia do buraco negro é diminuída pela quantidade ou radiação que escapou. Pode-se organizar uma reação produtora de calor dentro do horizonte de eventos de um buraco negro. Por exemplo, eu posso jogar dois blocos frios de matéria em trajetórias para que colidam no horizonte, produzindo calor. Não há nada de especial no espaço-tempo dentro do horizonte a esse respeito, exceto que o calor da colisão não será visto por observadores externos devido ao horizonte. O que é incomum nessa região é que, em pouco tempo (como experimentado pelos objetos), eles - e as emissões de calor - encontrarão a singularidade e, neste ponto, não temos uma teoria que descreva o que acontece. Como a topologia da região é tal que a singularidade se parece mais com um ponto no tempo do que com um lugar no espaço, também não há calor remanescente no espaço interior nem qualquer sensação de temperatura da singularidade.

Os horizontes de eventos não se importam se as coisas que os cruzam são energia ou matéria. As razões para os discos e jatos de acúmulo são diferentes: objetos não buracos negros, como estrelas sendo formadas e estrelas de nêutrons também têm discos e jatos. Basicamente, os discos acontecem porque a matéria está interagindo e diminuindo lentamente o momento angular e a energia potencial por meio de interações turbulentas, e os jatos acontecem porque o plasma resultante produz fortes campos magnéticos e bloqueia a radiação na direção equatorial.

Eu tomei referência de alguma resposta como. John rennie. /physics/251385/an-explanation-of-hawking-radiation/252236#252236

Anders Sandberg's

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