Como exatamente a radiação Hawking diminui a massa dos buracos negros?

Pelo que entendi até agora, quando uma das partículas virtuais atravessa o horizonte de eventos e a outra não, elas não podem se aniquilar. O último vagueia para o universo (aliás, ainda é virtual neste momento, e o que significa 'virtual' nesse momento, se sim?), Enquanto o outro é consumido pelo buraco negro. Não vejo como esse evento contribui para a evaporação do buraco negro (já que as partículas não se originam do buraco negro). A partícula consumida não deveria realmente aumentar a massa do buraco negro?

A questão mais próxima da minha é : a radiação Hawking de fato traz massa ao universo? , mas não acho as respostas satisfatórias.

Ou seja, " a partícula virtual escapada é 'impulsionada' pelo campo gravitacional do buraco negro para se tornar uma partícula real ", acrescenta à pergunta e depois responde.

EDIT: Sinto-me humilhado pelo conhecimento apresentado nas respostas e sinto-me incompetente em marcar como o mais adequado. Espero que isso esteja bem.

Eu vou lhe dar uma resposta intuitiva. Lembre-se de que essa não é a resposta "real", pois a radiação de Hawking é um pouco mais complexa do que a explicação típica de pop-sci com partículas virtuais. Mas alguma justificativa intuitiva é possível, no entanto.

Não vejo como esse evento contribui para a evaporação do buraco negro (já que as partículas não se originam do buraco negro).

Você está perdendo um ponto-chave aqui.

Quando o par foi gerado, eram partículas virtuais. Depois que um lado do par foi absorvido pelo buraco negro e o outro lado foi liberado, a parte liberada é uma partícula real. Enorme diferença lá - virtual vs real.

As partículas virtuais realmente não existem da mesma maneira que você e eu. Eles parecem existir por um tempo muito curto; quanto mais enérgicos, menor o intervalo de sua "existência" virtual, de acordo com a equação de Heisenberg. De muitas maneiras, eles são apenas um truque matemático.

Pense no vácuo, onde não existem partículas reais. Antes, é apenas vácuo. No momento, um par virtual pisca brevemente, depois desaparece. No futuro, é vácuo novamente.

Qual era a energia antes? Zero. Qual é a energia no futuro? Zero. Qual é a energia durante o flicker? Bem, é basicamente zero, dentro dos limites permitidos pelas equações de Heisenberg. Resumindo, partículas virtuais vêm e vão, e elas não contribuem para o balanço energético de um pedaço vazio de espaço.

(Estou ignorando aqui o conceito de energia a vácuo, por uma explicação intuitiva.)

Mas digamos que uma das partículas virtuais fique presa no buraco negro, por isso não pode se aniquilar com sua contraparte. A outra partícula voa na direção oposta e escapa do buraco negro. O que é pior: agora é uma partícula real - excedemos a duração permitida pelas equações de Heisenberg, portanto a que escapa não é mais virtual.

Como essa partícula se tornou real?

Esse é um grande problema, porque as partículas virtuais não exigem um orçamento de energia para existir brevemente, enquanto as partículas reais carregam energia para sempre. Algo impediu o par virtual de se aniquilar e elevou um dos componentes ao status de partícula real. O par virtual tem energia zero. A partícula real que foge tem energia diferente de zero. Essa energia tem que vir de algum lugar.

Vem do buraco negro. O buraco negro cede parte de sua massa / energia (a mesma coisa) para aumentar uma partícula do virtual para o real. A outra partícula é capturada - mas, mesmo assim, sendo virtual, isso realmente não importa.

O que essa explicação intuitiva não diz é como o impulso realmente acontece. Não sei, mágica. De alguma forma, uma das partículas virtuais recebe um pedaço de energia do buraco negro e se torna real.

Novamente, este não é o processo real. O processo real é mais complexo . Este é apenas um conto de fadas pop-sci.

Edição: Para chegar mais perto de casa, a radiação Hawking é mais parecida com o efeito Unruh . Digamos que um observador inercial veja espaço vazio aqui neste pedaço de volume. Um observador acelerado não veria o espaço vazio no mesmo volume, mas veria a radiação do corpo negro. Esse é o efeito Unruh.

Bem, gravidade e aceleração são a mesma coisa, por relatividade geral. Portanto, a forte gravidade perto de um buraco negro é equivalente a forte aceleração. Algo semelhante ao efeito Unruh deve acontecer lá. Essa é a radiação Hawking.

http://backreaction.blogspot.com/2015/12/hawking-radiation-is-not-produced-at.html

EDIT2: As outras respostas atualmente nesta página fornecem pontos alternativos úteis, portanto, verifique-os também.

Estas notas de aula abordam as questões até certo ponto, especialmente nos slides 33-35.

Como no espaço-tempo fortemente distorcido próximo ao horizonte, partículas virtuais feitas a partir de flutuações de vácuo acabam tendo densidade de energia negativa.

Densidade energética = energia por unidade de volume.

De fato, essas partículas têm massa positiva - veja a que escapou! - mas sua massa é distribuída de maneira estranha no espaço-tempo. (Em termos quânticos, as partículas têm volume diferente de zero; esse é um aspecto da dualidade onda-partícula.)

A matéria com densidade de energia negativa é geralmente chamada de matéria exótica

e um pouco depois:

As flutuações mecânicas de vácuo quânticas no espaço-tempo plano - longe de qualquer campo gravitacional forte - sempre têm densidade de energia líquida zero; eles nunca podem ser exóticos.

No entanto, no espaço-tempo distorcido, as flutuações de vácuo são geralmente exóticas: sua densidade de energia líquida é negativa, de acordo com um observador distante que mede a densidade de energia pela observação da deflexão da luz pelo conjunto de flutuações. Quanto mais forte a curvatura, mais negativa é a densidade de energia.

Esta é a melhor explicação que já vi até agora.

O princípio de Heisenberg permite que você viole temporariamente as leis de conservação de energia (por exemplo, crie pares de partículas do nada) desde que você pague tudo com o tempo. Quanto maior o par partícula-antipartícula, mais rápido ele será reembolsado. Converter um par virtual em um par real pode ser visto como gerando um pouco de "matéria exótica" de energia negativa (o que quer que seja) para representar a dívida não paga. Sua energia é igual em tamanho ao par com o sinal oposto. Isso então cai no buraco negro junto com uma das partículas, diminuindo a massa do buraco negro em geral.

O horizonte do buraco negro atrapalha a recombinação de alguns pares virtuais, para que essas conversões virtual-> reais aconteçam.

Encontrei esta palestra com a mesma ideia (mais detalhada e menos massacrada): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf

Não sei se os especialistas concordarão com esta descrição, mas aqui está como eu a entendo:

Tanto o espaço quanto o horizonte de eventos estão em constante flutuação quântica. Essencialmente, o horizonte de eventos tem pequenas ondulações. Nos pontos em que o horizonte de eventos ondula (acima do raio médio do buraco negro), ele possui uma quantidade acima da média de energia local. A intensa gravidade rapidamente puxa a colisão local de volta para baixo, a colisão em queda envia essa concentração de energia local de volta ao resto do horizonte de eventos.

Agora vamos considerar possíveis pares de partículas virtuais perto do buraco. Se um par de partículas virtual estacionário aparecer logo acima do horizonte de eventos, ele será recombinado e desaparecerá ou a coisa toda será puxada para dentro do buraco e desaparecerá em zero. Precisamos de um par de partículas virtual que tenha um movimento aparente para longe do buraco negro, quase na velocidade da luz. Se esse par virtual de partículas estiver indo rápido o suficiente para escapar completamente, eles se recombinam e desaparecem. Efeito líquido zero. Precisamos de um par de partículas virtual que esteja se afastando do buraco negro quase na velocidade da luz e precisamos de uma ondulação no horizonte que capte apenas uma partícula virtual. Eu acredito que a ondulação deve estar sob extrema aceleração descendente para se afastar da segunda partícula virtual, para evitar pegar as duas. E aqui está a parte principal: O débito energético entre o par de partículas os puxa intensamente um para o outro. A partícula presa está sendo puxada para cima, efetivamente puxando para cima no horizonte que a prendeu. Isso diminui a queda da ondulação do horizonte, diminuindo a energia que a ondulação que cai retorna ao resto do buraco negro.

A energia necessária para separar as duas partículas virtuais é igual à energia combinada das duas partículas não virtuais. Assim, a ondulação que cai perde energia igual a duas partículas e o buraco come uma partícula. Tudo se equilibra com a partícula que escapou.

Acredito que funciona da mesma maneira, independentemente de as partículas virtuais serem fótons ou um par matéria-antimatéria.

Aqui está uma analogia à Mecânica Quântica. Uma partícula em QM pode passar por um túnel através de uma barreira impossível, e é assim que os elementos mais pesados ​​que o chumbo podem fazer com que alguns de seus nêutrons "se encaminhem" para fora do núcleo, escapando das ligações da Força Forte.

Um pequeno buraco negro é como uma barreira quântica pela qual uma partícula pode atravessar um túnel para escapar. Quanto menor a barreira (Event Horizon), maior a probabilidade de conseguir sair do túnel. Portanto, um micro buraco negro com uma massa de 228 toneladas e um Horizonte de Eventos de 3,4 x 10 ^ -7 femtômetros (literalmente menos de um milhão de milionésimo do tamanho de um próton) não aguentará suas partículas por muito tempo e de todo. De fato, ele explodirá em uma explosão de Radiação Hawking após exatamente 1 segundo .

Um buraco negro de massa terrestre maior, com um raio de um centímetro inteiro , durará muito mais: 8 x 10 ^ 50 anos, porque é muito menos provável que uma partícula passe por um centímetro inteiro para alcançar a liberdade.

Fonte: Tunelamento quântico a partir de buracos negros tridimensionais: https://arxiv.org/abs/1306.6380

Fonte: Radiação Hawking, modelada como Efeito Quântico: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817