O ilustrare a radiației Hawking lângă o gaură neagră. Credit: Pixabey.com
Radiația Hawking nu a fost încă demonstrată, dar în general este considerată reală. În esență, argumentul este că atunci când combini orizonturile evenimentelor găurilor negre cu incertitudinea cuantică, energia termică poate scăpa dintr-o gaură neagră.
Nu avem o teorie complet cuantică a gravitației, dar avem câteva modele semiclasice care susțin existența radiației Hawking. Iar dacă această radiație există, interacțiunea găurilor negre este guvernată de legile termodinamicii.
Argumentul este simplu: dacă găurile negre radiază cuantic, atunci ele emit energie termică și au o temperatură. Așadar, legile termodinamicii se aplică găurilor negre la fel cum se aplică unei cești de ceai fierbinte.
Această idee este extrem de puternică, deoarece înseamnă că interacțiunile complexe ale găurilor negre care fuzionează pot fi descrise prin termodinamica găurilor negre.
Pe scurt, există patru legi de bază ale termodinamicii:
• Legea zero: dacă obiectele A-C și B-C sunt în echilibru termic, atunci și A-B sunt în echilibru.
• Prima lege: energia se conservă, deci energia termică pierdută de un obiect este câștigată de altele.
• A doua lege: căldura se deplasează natural de la obiecte mai fierbinți la obiecte mai reci, nu invers. Adesea este formulată ca „entropia unui sistem nu poate scădea”.
• A treia lege: nu poți răci un obiect până la zero absolut.
Pentru găurile negre, aceste legi devin:
• Legea zero: o gaură neagră fără rotație are gravitație uniformă la orizontul de eveniment.
• Prima lege: temperatura — și deci entropia — unei găuri negre este determinată de aria suprafeței orizontului evenimentelor.
• A doua lege: deoarece entropia nu poate scădea, aria suprafeței unei găuri negre rezultate din fuziune trebuie să fie cel puțin egală cu aria celor două găuri negre inițiale.
• A treia lege: nu poți elimina orizontul unei găuri negre prin rotire sau prin încărcare electrică.
A doua lege mai este cunoscută ca teorema ariei pentru găuri negre și, în multe privințe, este cea mai puternică.
Energia undelor gravitaționale emisă atunci când găurile negre fuzionează reprezintă echivalentul energiei mai multor stele. Acesta este motivul pentru care le putem detecta.
Dar teorema ariei afirmă că există o limită strictă pentru cantitatea de energie gravitațională pe care o pot produce astfel de fuziuni. Gaura neagră finală trebuie să aibă cel puțin aceeași arie a suprafeței ca cele inițiale. Iar pentru că aria orizontului depinde de masă, masa găurii negre rezultate este, la rândul ei, limitată.
Vestea bună este că teorema ariei poate fi testată analizând fuziuni de găuri negre. În 2021, un studiu al fuziunii GW150914 a susținut teorema cu un nivel de încredere de 97%. Un nou studiu al fuziunii GW230814 o confirmă cu o încredere de 99,5%. Ambele rezultate sunt sub pragul obișnuit de 5σ folosit pentru certitudine științifică (99,99994%), dar rămân totuși foarte solide.
Termodinamica găurilor negre pare să fie reală — o idee uluitoare, dacă te gândești. Înseamnă că atunci când ții o cană fierbinte într-o dimineață rece, aceeași fizică ce îți încălzește mâinile guvernează dinamica orizonturilor evenimentelor găurilor negre.
Traducere după In the Area Again (CC BY-NC) de Brian Koberlein.
