Pourquoi les trous noirs sont extrêmement froids?

"Les trous noirs les plus massifs de l'Univers, les trous noirs supermassifs avec des millions de fois les mathématiques du Soleil auront une température de 1,4 x Kelvin. C'est bas. Presque zéro absolu, mais pas Un trou noir de masse solaire pourrait avoir une température de seulement 0,00000006 Kelvin. "$10^{-14}$

5 septembre 2016 par Fraser Cain, Universe Today

Les trous noirs absorbent toutes les formes d'énergie, même la lumière. L'absorption d'énergie devrait augmenter sa température mais il fait quand même extrêmement froid, pourquoi?

Sous la relativité générale seule (GR), l' horizon des événements d' un trou noir (BH) est un point de non-retour - tout ce qui passe à travers l'horizon des événements est perdu et disparu pour toujours, et rien ne sort. Par conséquent, sous GR seul, les BH sont complètement noirs et n'ont pas du tout de température.

C'est pourquoi l'absorption du rayonnement (ou de toute autre chose) par un BH n'augmente pas sa température - il est simplement avalé et perdu. (C'est la masse, l'élan angulaire et la charge restent, mais c'est tout - voir le théorème No Hair .)

(Remarque: le disque d'accrétion qui entoure un BH peut être très chaud en effet, mais c'est une tout autre chose.)

Stephen Hawking a découvert que l'application de la mécanique quantique aux BH montrait que les BH émettraient une pulvérisation aléatoire de rayonnement, et que ce rayonnement était précisément ce qu'un corps noir émettrait - le rayonnement du corps noir . C'est ce qu'on appelle le rayonnement Hawking .

Rayonnement du corps noir est tout simplement l'émission thermique d'un absorbeur de rayonnement parfait, et conduit à la conclusion inévitable que la BH n'avoir une température non nulle. Fait intéressant, l'analyse de Hawking a montré que la température effective du BH est inversement proportionnelle à sa masse et que les BH de masse solaire (qui sont les plus petits pour lesquels nous avons des preuves réelles) auraient une température d'environ 0,00000006 K.Un peu froid, mais toujours pas nul.

Notez que, de manière non intuitive, une masse solaire BH se refroidit car elle absorbe le rayonnement. Parce que tout rayonnement (ou toute autre chose) qu'il absorbe augmente sa masse, et puisque les BH de masse plus élevée sont plus froides, plus vous déversez d'énergie dans un, plus il fait froid!

Vous avez déjà obtenu de très bonnes réponses. Je veux juste souligner ceci:

La "température" d'un trou noir ressemble plus à une "façon de parler". Ce n'est pas la température comme on l'entend normalement.

Il y a ce processus appelé rayonnement Hawking où le vide près d'un trou noir produit un flux de particules, empruntant de l'énergie à la gravité du trou noir pour créer ces particules - et il apparaît donc comme le trou noir "émet" un rayonnement. Comme il s'agit d'un rayonnement, vous pourriez en théorie mesurer sa température. Mais ce n'est que la température du rayonnement Hawking.

De toute évidence, vous ne pouviez pas enfoncer un thermomètre dans un trou noir.

Les trous noirs absorbent toutes les formes d'énergie, même la lumière. L'absorption d'énergie devrait augmenter sa température mais il fait quand même extrêmement froid, pourquoi?

En raison de la dilatation infinie du temps gravitationnel. La chose à comprendre est que la température est une mesure du mouvement. Un gaz chaud est celui où les molécules se déplacent, en moyenne, plus rapidement que dans un gaz froid. Voir l' article sur la température de Wikipedia et notez ceci: "La température théorique la plus froide est un zéro absolu, auquel le mouvement thermique de toutes les particules fondamentales dans la matière atteint un minimum" . La dilatation gravitationnelle du temps signifie que les choses bougent plus lentement. Lorsque la dilatation du temps gravitationnel est infinie, les choses ne bougent pas du tout. C'est pourquoi le trou noir était à l'origine connu sous le nom d'étoile gelée.

Stephen Hawking a écrit un article en 1972 avec Brandon Carter et Jim Bardeen où ils ont dit: "Il faut cependant souligner que κ / 8π et A sont distincts de la température et de l'entropie du trou noir. En fait, la température effective d'un trou noir est zéro absolu » .

Robert Wald a dit la même chose en physique des trous noirs . À la page 69, il a dit dans la physique classique des trous noirs «κ n'a rien à voir avec la température physique d'un trou noir, qui est zéro absolu selon tous les critères raisonnables» .

Le trou noir aurait une température efficace en raison du rayonnement de Hawking, mais comme l'a dit Fraser Cain, il est très bas. Et comme l'a dit Mark, "sous GR seul, les BH sont totalement noirs et n'ont pas du tout de température" . Plus important encore, le rayonnement de Hawking serait émis depuis l'extérieur de l'horizon des événements. Ce n'est donc pas vraiment la température du trou noir. Tout comme "le disque d'accrétion qui entoure un BH peut être très chaud", mais ce n'est pas la température du trou noir.

Les trous noirs rayonnent, voir le rayonnement de Hawking. Et plus ils absorbent de matière, plus ils refroidissent

Pour qu'un trou noir s'évapore, l'énergie doit s'échapper complètement de son puits potentiel. Pour faire une analogie assez grossière, si nous tirons une fusée de la surface de la Terre, puis en dessous de la vitesse de fuite, la fusée retombera finalement. La fusée doit avoir une vitesse supérieure à la vitesse d'échappement pour s'échapper complètement de la Terre.

Lorsque nous considérons un trou noir, plutôt que la vitesse d'échappement, nous considérons le décalage gravitationnel vers le rouge. Le décalage vers le rouge réduit l'énergie de tout rayonnement sortant, il réduit donc l'énergie de tout rayonnement émis par l'état de vide plus chaud près de l'horizon des événements. Si le décalage vers le rouge est infini, le rayonnement émis devient alors décalé vers le rouge et dans ce cas il n'y aura pas de rayonnement Hawking. Si le décalage vers le rouge reste fini, le rayonnement émis a toujours une énergie non nulle à l'approche de l'infini spatial. Dans ce cas, une certaine énergie s'échappe du trou noir, et c'est ce que nous appelons le rayonnement Hawking. Cette énergie provient finalement de l'énergie de masse du trou noir, de sorte que la masse / énergie du trou noir est diminuée de la quantité ou du rayonnement qui s'est échappé. On peut organiser une réaction produisant de la chaleur pour qu'elle ait lieu à l'intérieur de l'horizon des événements d'un trou noir. Par exemple, je peux déposer deux blocs froids de matière sur des trajectoires afin qu'ils se heurtent à l'intérieur de l'horizon, produisant de la chaleur. À cet égard, l'espace-temps à l'intérieur de l'horizon n'a rien de spécial, sauf que la chaleur de la collision ne sera pas vue par les observateurs extérieurs en raison de l'horizon. Ce qui est inhabituel dans cette région, c'est que dans un court laps de temps (tel que vécu par les objets), ils - et les émissions de chaleur - rencontreront la singularité et à ce stade, nous n'avons aucune théorie décrivant ce qui se passe. Puisque la topologie de la région est telle que la singularité ressemble plus à un point dans le temps qu'à un endroit dans l'espace, il n'y a pas non plus de chaleur persistante dans l'espace intérieur ni de sens de la température de la singularité.

Les horizons d'événements ne se soucient pas si les choses qui les traversent sont de l'énergie ou de la matière. Les raisons des disques d'accrétion et des jets sont différentes: des objets non noirs comme des étoiles se forment et les étoiles à neutrons ont également des disques et des jets. Fondamentalement, les disques se produisent parce que la matière interagit et perd lentement de l'élan angulaire et de l'énergie potentielle par le biais d'interactions turbulentes, et les jets se produisent parce que le plasma résultant produit de forts champs magnétiques et bloque le rayonnement dans la direction équatoriale.

J'ai pris la référence d'une réponse comme. John rennie. /physics/251385/an-explanation-of-hawking-radiation/252236#252236

Et Anders Sandberg

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