Els forats negres (V) No són tan negres

En l’entrada Radiació de Hawking, vam establir que els forats negres perdien massa i que finalment desapareixien degut a l’absorció de partícules d’antimatèria. Doncs bé, en aquesta entrada procurarem aprofundir més sobre l’origen de la seva disminució de matèria i sobre la radiació que emeten.

Jacob Bekenstein, un alumne de Princeton, va formular una sucosa hipòtesi que qüestionava la negror dels forats negres. No feia gaire, s’havia establert que els forat negre no deixaven fugir ni la llum, degut a que la velocitat d’escap d’aquests cossos era sempre major a la de 300.000km/s. Això suposava que els forats negres no permetien expulsar cap tipus de radiació. Si més no, com ja vam comentar, d’aquí procedeix el nom que els hi encunyà John Wheeler. Tot i això, a Bekenstein no se li van treure les ganes de prendre en serio la seva decisió.

Per basar-se en el que afirmava, féu referència al segon principi de la termodinàmica, aquell que estableix que l’entropia d’un cos sempre augmenta.

L’entropia en si és un element imprescindible que s’ha de conèixer si es vol treballar en física o en qualsevol cap relacionat a aquesta. És una constant equiparable a la de l’energia, doncs, de la mateixa manera que realitzant una infinitat de processos la quantitat d’energia sempre és la mateixa, per molt que ordenem una habitació desordenada sempre estarem contribuint en la “desordenació total", o el que seria el mateix, en el increment de l’entropia total de l’univers. Pot arribar a semblar una antítesis el fet de que ordenant tota una habitació sencera realment estiguem contribuint al contrari, però és que així és; ja que sembla ser que la segona llei de la termodinàmica ens diu que fent el que fem, no deixem mai de contribuir al desordre total de l’univers.

El fet és que a Bekenstein, els forats negres, no els creia una excepció al segon principi de la termodinàmica, posat que pensava que molt rarament aquest faria distincions especials en alguns sistemes físics.

Vulnerant el segon principi de la termodinàmica

Quan un forat negre absorbeix qualsevol tipus de matèria, està contribuint a disminuir l’entropia de l’univers, ja que elimina elements que poguessin suposar un desordre en el futur i tota la seva energia corresponent. No obstant, aquest fet, el de contribuir a la disminució de l’entropia, tan sols es pot donar en el cas de que posteriorment el forat negre no torni d’una o altra manera la matèria que ha absorbit, o el que és el mateix, que emeti radiacions.

Uns anys abans a les incitacions de Bekenstein, Hawking va demostrar que, si un esteroide o part del gas de la superfície d’una estrella pròxima –per exemple- , s’unia a un forat negre, o si dos forats negres xocaven i es combinaven entre si, en tots aquests processos l’àrea d’horitzó d’esdeveniments del forat negre augmentaria.

Bekenstein va traduir aquest augment de l’horitzó d’esdeveniments en un augment de l’entropia, i com a conseqüència, en un augment de l’entropia total de l’univers.

És per això que des d’aquell moment es considerà l’horitzó d’esdeveniments com el mesurador de l’entropia d’un forat negre. És més, Hawking afegí que, degut a l’emissió de radiació, en la frontera d’esdeveniments també hi trobaríem la temperatura del forat negre.

Com la mecànica quàntica afecta la pèrdua de massa dels forats negres

Fins aquell punt se sabia que els forats negres no eren tan negres com Wheeler va fer creure, sinó que tenien una temperatura i que emetien radiació. No obstant, el problema estava en establir, des de la relativitat general, per què es produïa aquest fet. Com que els forats negres són sistemes abstractes macroscòpics, sembla ser que la teoria més adient per a cercar la resposta seria la relativitat general, ja que és la que explica els elements de l’univers de major grandària. Tot i això, Stephen Hawking, l’any 1974, va ser capaç de trobar la resposta en la teoria oposada; la mecànica quàntica.

Si preguntem a la relativitat general, aquesta ens dirà que un forat negre no serà mai capaç, ni ho ha sigut, de perdre massa. Però el fet és que la inclusió de la mecànica quàntica modifica radicalment aquesta conclusió. Tot i que els càlculs als quals va arribar Hawking són complexos, la idea és bàsica:

Sembla ser que el poder gravitatori d’un forat negre pot injectar energia provinent del principi d’incertesa de Hiensenberg en forma de, per exemple, fotons virtuals, que son aquells qua han agafat l’energia del principi d’incertesa de Heinsenberg (recordem que en l’entrada Radiació de Hawking es tractava d’un parell de partícula-antipartícula). Aquesta energia injectada en els fotons virtuals pot provocar una repulsió entre aquests dos, fent que un fotó s’allunyi en les profunditats de l’univers de l’altra fotó “company” que, molt probablement, s’haurà precipitat en l’interior del forat negre.

Utilitzant aquesta analogia, hem observat com per cada dues partícules que ha emès un forat negre, tan sols n’ha absorbit una. Aquest fet cobra més significat quan es consideren altres tipus de partícules en quantitats més grans i en ritmes d’esdeveniments més frenètics. Doncs sembla ser que el ritme al qual un forat negre per massa és major al qual n’absorbeix (com ja vam establir anteriorment).

La temperatura

L’altre factor des del qual el forat negre també perd massa, és a dir, irradia, és des de la seva temperatura.

L’única temperatura que no irradiaria, i que per tant no suposaria una pèrdua de massa ens els cossos que seria emesa, seria la del zero absolut, aquella en el qual els àtoms del component estan totalment paralitzats. No obstant, el principi d’incertesa de Heinsberg estableix que qualsevol partícula de l’univers es troba immersa en una incessant marxa produïda, en part, per la radiació de microones. Així que des d’aquesta entrada ja establim (com hauríem d’haver fet en la seva corresponent) que el zero absolut és físicament impossible i que per tant, en algunes ocasions, prescindible.

Tot i això, semblar ser que la temperatura que irradia un forat negre tan sols acostuma a trobar-se a una centmilionèsima de grau centígrad per sobre del zero absolut, totalment menyspreable per als aparells mesuradors actuals.