Rayonnement Black Hole / Hawking: Pourquoi ne capturer que des anti-particules?

J'ai peut-être des détails erronés ici. Si oui, ne vous concentrez pas sur ceux-ci. Concentrez-vous sur l'orientation générale de ma question.

Je «comprends» (tousse) que les paires particules / anti-particules se forment spontanément dans l'espace. Je comprends qu'ils peuvent se former près de l'horizon des événements d'un trou noir, et qu'une particule peut tomber, alors que l'autre particule peut à peine s'échapper. Je comprends qu'une anti-particule s'anéantira avec une particule. Ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi seules les anti-particules de ces paires de particules virtuelles tombent dans le trou noir, tandis que les autres parviennent à s'échapper. Les particules et les anti-particules ne devraient-elles pas avoir toutes les deux la même chance de tomber ou de simplement s'échapper?

Il semble qu'il devrait y avoir une chance égale que la particule ou l'anti-particule soit capturée tandis que l'autre "éjectée". Il semble donc que le trou noir devrait être quelque peu stable en ce qui concerne le changement de masse par rapport aux particules virtuelles.

Explique?

Je pensais que l'anti-particule s'annihilait avec une masse "normale" à l'intérieur du trou noir? Non?

Non. Premièrement, les particules et les anti-particules ont une masse "normale" (si elles ont une masse en premier lieu) et une énergie "normale" (positive). La distinction entre eux est soit une question de convention, soit une question de quel type est plus courant dans l'univers. De plus, pour les trous noircis de masse typique, la majeure partie du rayonnement de Hawking serait constituée de photons, qui à proprement parler n'ont même pas d'antiparticules, bien que l'on puisse également dire qu'ils sont leurs propres anti-particules.

Les particules et les anti-particules ne devraient-elles pas toutes deux avoir les mêmes chances de tomber ou de simplement s'échapper?

Oui, et ceux non chargés le font. Un trou noir plus petit irradierait à la fois des neutrinos et des anti-neutrinos, en supposant que tous les neutrinos sont massifs (sinon, tous les trous noirs le feraient déjà), et un trou suffisamment petit (et donc suffisamment chaud) irradierait à la fois des électrons et des positrons. Très grossièrement, un trou noir irradiera des quantités non négligeables de particules massives lorsque la température du trou noir est de l'ordre de la masse des particules ou plus, en unités naturelles.

Il semble qu'il devrait y avoir une chance égale que la particule ou l'anti-particule soit capturée tandis que l'autre "éjectée".

Exact, à une exception près que si un trou noir chaud a une charge électrique, il est plus susceptible de rayonner des particules du même signe de charge.

Il semble donc que le trou noir devrait être quelque peu stable en ce qui concerne le changement de masse par rapport aux particules virtuelles.

Si une particule ou une anti-particule tombe dans un trou noir, sa masse augmentera. Ça n'a pas d'importance. Fondamentalement, la "raison" du rayonnement de Hawking est que l'état du vide dans la théorie des champs quantiques est un état d'énergie la plus basse, mais différents observateurs peuvent ne pas être d'accord sur quel état est le vide. Ainsi, comme les particules fluctuent au-dessus du vide, elles peuvent être en désaccord sur la présence ou non de particules.

Je ne pense pas qu'il y ait un bon moyen de réparer l'histoire des «antiparticules», sauf un appel détourné à la conservation de l'énergie: si la particule qui s'échappe est réelle et a une énergie positive, celle qui est tombée doit avoir une énergie négative, et serait diminuez donc la masse du trou noir. Malheureusement, cela ne montre que ce qui doit se produire pour que la situation soit cohérente, pas que cela se produise réellement.

Bien qu'avec une certaine connaissance de la relativité générale, on puisse motiver cela un peu plus loin - par exemple, pour le trou noir de Schwarzschild, il y a une conservation d'énergie donnée par un champ de vecteur Killing, qui va du temps au temps à l'espace à l'horizon - alors quel externe l'observateur considère que le temps / l'énergie serait l'espace / l'élan à l'intérieur du trou noir, et l'élan peut être négatif.

Tout d'abord, je voudrais souligner et féliciter la réponse de @ user83692435 qui est arrivée en premier et qui est correcte. Développer sur elle:

L'image d'une paire de particules / anti-particules virtuelle en cours de création, puis l'une des paires avalée par l'horizon des événements laissant l'autre réel, est une analogie qui donne une image de ce qui se passe, mais n'est certainement pas correcte. Les vulgarisateurs continuent de l'utiliser parce que ce qui se passe réellement est extrêmement complexe et difficilement explicable en mots. (Et je n'essaierai pas!) Mais voici un lien vers un document technique sur le sujet .

Mais peut-être le point le plus révélateur contre l'explication simple est que le rayonnement de Hawking ne vient pas de l'horizon des événements que l'analogie requiert, mais de l'espace extérieur!

Un deuxième point contre l'analogie de Hawking est que l'horizon des événements est extrêmement profond dans le puits potentiel du trou noir. Pour qu'une particule ou un photon s'échappe du BH (ce que doit faire le rayonnement de Hawking), il doit être créé avec suffisamment d'énergie supplémentaire pour s'échapper du BH - et un BH peut être considéré comme un objet avec une vitesse d'échappement supérieure à la vitesse de la lumière. Les petites particules virtuelles mignonnes qui ont perdu leur partenaire au BH ne s'en sortiraient jamais.

Si vous souhaitez creuser un peu plus, je recommande le blog de Sabine Hossenfelder Backreaction qui a un long post avec de nombreux liens vers de plus amples informations. Backreaction est l'un des meilleurs blogs de vulgarisation de la physique des frontières à l'heure actuelle, en grande partie parce que Hossenfelder est un chercheur actif et un bon écrivain.

Vous avez un peu mal mémorisé une façon courante (bien que mauvaise) de décrire le rayonnement de Hawking. Les vulgarisateurs de la physique le décrivent parfois comme une paire de particules en cours de création, dont l'une est de la matière et l'autre est une matière négative. Ou l'un est l'antimatière et l'autre est l'antimatière négative. Donc, votre proton s'échappe et votre proton de matière négative est absorbé. Ou votre antiproton s'échappe et votre antiproton négatif est absorbé. La matière négative (ou l'antimatière négative) rétrécit le trou noir.

Bien que ce soit une façon courante de décrire les choses pour les non-physiciens, c'est une mauvaise façon de la décrire. C'est déroutant car cela suggère la question exacte que vous avez posée: pourquoi la matière négative ne vole-t-elle pas vers l'extérieur et ne rétrécit-elle pas la première étoile ou planète qu'elle frappe? De plus, aucune matière négative n'a jamais été détectée. Il n'y a aucune raison particulière de penser que c'est une construction utile pour comprendre les trous noirs. (Bien que s'il existait, vous pourriez l'utiliser pour stabiliser les trous de ver, ce qui pourrait être très utile).

Il vaut mieux décrire le rayonnement de Hawking comme l'ont fait les autres réponses ici, sans recourir à des particules négatives virtuelles.

Cette explication du rayonnement de Hawking sous forme de particules virtuelles se formant et d'une particule tombant dans le trou noir est incomplète. Stephen Hawking a initialement imaginé un chemin d'un passé lointain vers un avenir lointain et une géodésique nulle (chemin de la lumière) le parcourant. Un trou noir se forme sur le chemin de la géodésique juste avant de passer à l'endroit où le trou noir est formé. C'est la dernière géodésique à le faire.
Le vide n'est pas vide. Il se compose de quelques vibrations en raison du principe d'incertitude. Ce champ de vide est composé de nombreux modes de fréquence. Ils continuent de créer une paire anti-particules de particules virtuelles qui s'anéantissent. L'anti particule peut être considérée comme une vibration dans le champ quantique ayant une fréquence négative, c'est-à-dire remontant dans le temps. Le trou noir formé poussait certaines fréquences de la géodésique qui passait. Ainsi, la géodésique crée ses champs à partir des fréquences restantes. Et comme l'antiparticule peut être considérée comme une particule dont la fréquence recule dans le temps, sa fréquence est toujours perdue dans le trou noir et le champ crée une particule virtuelle à partir des modes de fréquence restants.