Warum sind Schwarze Löcher extrem kalt?

"Die massereichsten Schwarzen Löcher im Universum, die supermassiven Schwarzen Löcher mit der millionenfachen Mathematik der Sonne, haben eine Temperatur von 1,4 x Kelvin. Das ist niedrig. Fast absolut Null, aber nicht ganz. A. Das schwarze Loch der Sonnenmasse könnte eine Temperatur von nur 0,00000006 Kelvin haben. "$10^{-14}$

5. September 2016 von Fraser Cain, Universe Today

Schwarze Löcher absorbieren jede Form von Energie, sogar Licht. Die Absorption von Energie sollte die Temperatur erhöhen, aber es ist immer noch extrem kalt. Warum?

Allein unter der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) ist der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs (BH) ein Punkt ohne Wiederkehr - alles, was durch den Ereignishorizont geht, ist verloren und für immer verschwunden, und es kommt nichts heraus. Daher sind BHs allein unter GR völlig schwarz und haben überhaupt keine Temperatur.

Dies ist der Grund, warum die Absorption von Strahlung (oder etwas anderem) durch ein BH seine Temperatur nicht erhöht - es wird nur verschluckt und geht verloren. (Es bleibt Masse, Drehimpuls und Ladung, aber das ist alles - siehe The No Hair Theorem .)

(Hinweis: Die Akkretionsscheibe , die einen BH umgibt, kann zwar sehr heiß sein, aber das ist eine ganz andere Sache.)

Stephen Hawking entdeckte, dass die Anwendung der Quantenmechanik auf BHs zeigte, dass BHs einen zufälligen Strahlungsstrahl aussenden würden und dass diese Strahlung genau das war, was ein schwarzer Körper emittieren würde - Schwarzkörperstrahlung . Dies nennt man Hawking-Strahlung .

Schwarzkörperstrahlung ist einfach die thermische Emission eines perfekten Absorber von Strahlung und führt unweigerlich zu dem Schluss , dass ein BH hat eine von Null verschiedene Temperatur aufweisen. Interessanterweise zeigte Hawkings Analyse, dass die effektive Temperatur des BH umgekehrt proportional zu seiner Masse ist und dass Sonnenmassen-BHs (die kleinsten, für die wir tatsächlich Beweise haben) eine Temperatur von etwa 0,00000006 K haben würden. Ein bisschen kalt, aber immer noch nicht Null.

Beachten Sie, dass eine Sonnenmasse BH unbeabsichtigt kälter wird, wenn sie Strahlung absorbiert. Weil jede Strahlung (oder irgendetwas anderes), die sie absorbiert, ihre Masse erhöht, und da BHs mit höherer Masse kälter sind, wird sie umso kälter, je mehr Energie Sie in eine ablassen!

Sie haben bereits einige sehr gute Antworten erhalten. Ich möchte nur darauf hinweisen:

Die "Temperatur" eines Schwarzen Lochs ist eher eine "Art zu sprechen". Es ist nicht die Temperatur, wie normalerweise verstanden.

Es gibt diesen Prozess, der als Hawking-Strahlung bezeichnet wird, bei dem Vakuum in der Nähe eines Schwarzen Lochs einen Partikelstrom erzeugt, der Energie aus der Schwerkraft des Schwarzen Lochs entlehnt, um diese Partikel zu erzeugen - und so scheint es, als würde das Schwarze Loch Strahlung "emittieren". Da dies Strahlung ist, könnte man theoretisch ihre Temperatur messen. Aber das ist nur die Temperatur der Hawking-Strahlung.

Offensichtlich konnte man kein Thermometer in ein Schwarzes Loch stecken.

Schwarze Löcher absorbieren jede Form von Energie, sogar Licht. Die Absorption von Energie sollte die Temperatur erhöhen, aber es ist immer noch extrem kalt. Warum?

Wegen der unendlichen Gravitationszeitdilatation. Zu verstehen ist, dass die Temperatur ein Maß für die Bewegung ist. Ein heißes Gas ist eines, bei dem sich die Moleküle im Durchschnitt schneller bewegen als in einem kalten Gas. Sehen Sie sich die Wikipedia Temperatur Artikel und beachten Sie folgende: „Die kälteste theoretische Temperatur der absolute Nullpunkt ist, bei der die thermische Bewegung aller Elementarteilchen in der Materie ein Minimum erreicht“ . Gravitationszeitdilatation bedeutet, dass sich die Dinge langsamer bewegen. Wenn die Gravitationszeitdilatation unendlich ist, bewegen sich die Dinge überhaupt nicht. Deshalb war das Schwarze Loch ursprünglich als gefrorener Stern bekannt.

Stephen Hawking schrieb 1972 mit Brandon Carter und Jim Bardeen eine Arbeit, in der sie sagten: "Es sollte jedoch betont werden, dass κ / 8π und A sich von der Temperatur und Entropie des Schwarzen Lochs unterscheiden. Tatsächlich ist die effektive Temperatur eines Schwarzen Lochs absoluter Nullpunkt “ .

Ähnliches sagte Robert Wald in der Physik der Schwarzen Löcher . Auf Seite 69 sagte er in der klassischen Schwarzlochphysik: „κ hat nichts mit der physikalischen Temperatur eines Schwarzen Lochs zu tun, die nach vernünftigen Kriterien absolut Null ist . “

Das Schwarze Loch soll aufgrund der Hawking-Strahlung eine effektive Temperatur haben, aber wie Fraser Cain sagte, ist es sehr niedrig. Und wie Mark sagte, „unter GR allein, BHs völlig schwarz sind und nicht über eine Temperatur überhaupt“ . Noch wichtiger ist, dass Hawking-Strahlung von außerhalb des Ereignishorizonts emittiert wird. Es ist also nicht die Temperatur des Schwarzen Lochs. Genauso wie "die Akkretionsscheibe, die ein BH umgibt, tatsächlich sehr heiß sein kann", aber es ist nicht wirklich die Temperatur des Schwarzen Lochs.

Schwarze Löcher strahlen aus, siehe Hawking-Strahlung. Und je mehr Materie sie aufnehmen, desto kälter werden sie

Damit ein Schwarzes Loch verdunsten kann, muss die Energie vollständig aus ihrem Potentialtopf entweichen. Um eine ziemlich grobe Analogie zu ziehen: Wenn wir eine Rakete von der Erdoberfläche abfeuern, fällt die Rakete unter der Fluchtgeschwindigkeit schließlich zurück. Die Rakete muss eine Geschwindigkeit haben, die größer als die Fluchtgeschwindigkeit ist, um der Erde vollständig zu entkommen.

Wenn wir eher ein Schwarzes Loch als die Fluchtgeschwindigkeit betrachten, betrachten wir die Gravitationsrotverschiebung. Die Rotverschiebung reduziert die Energie jeglicher ausgehender Strahlung, so dass sie die Energie jeglicher Strahlung reduziert, die vom heißeren Vakuumzustand in der Nähe des Ereignishorizonts emittiert wird. Wenn die Rotverschiebung unendlich ist, wird die emittierte Strahlung rot zu nichts verschoben, und in diesem Fall gibt es keine Hawking-Strahlung. Wenn die Rotverschiebung endlich bleibt, hat die emittierte Strahlung immer noch eine Energie ungleich Null, wenn sie sich der räumlichen Unendlichkeit nähert. In diesem Fall entweicht etwas Energie aus dem Schwarzen Loch, und dies nennen wir die Hawking-Strahlung. Diese Energie kommt letztendlich aus der Massenenergie des Schwarzen Lochs, so dass die Masse / Energie des Schwarzen Lochs um die Menge oder Strahlung verringert wird, die ausgetreten ist. Man kann eine wärmeerzeugende Reaktion veranlassen, die innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs stattfindet. Zum Beispiel kann ich zwei kalte Materieblöcke auf Flugbahnen fallen lassen, so dass sie im Horizont kollidieren und Wärme erzeugen. In dieser Hinsicht ist die Raumzeit innerhalb des Horizonts nichts Besonderes, außer dass die Wärme der Kollision aufgrund des Horizonts von externen Beobachtern nicht gesehen wird. Was an dieser Region ungewöhnlich ist, ist, dass sie - und die Wärmeemissionen - in kurzer Zeit (wie sie von den Objekten erfahren werden) die Singularität erreichen werden, und an diesem Punkt haben wir keine Theorie, die beschreibt, was passiert. Da die Topologie der Region so ist, dass die Singularität eher einem Zeitpunkt als einem Ort im Raum ähnelt, gibt es auch keine anhaltende Wärme im Innenraum und kein Temperaturgefühl der Singularität.

Ereignishorizonte kümmern sich nicht darum, ob Dinge, die sie überqueren, Energie oder Materie sind. Die Gründe für die Akkretionsscheiben und -strahlen sind unterschiedlich: Nicht-Schwarzlochobjekte wie Sterne, die gebildet werden, und Neutronensterne haben auch Scheiben und Strahlen. Grundsätzlich entstehen Scheiben, weil Materie interagiert und durch turbulente Wechselwirkungen langsam Drehimpuls und potentielle Energie abgibt, und Jets entstehen, weil das resultierende Plasma starke Magnetfelder erzeugt und Strahlung in äquatorialer Richtung blockiert.

Ich habe mich auf eine Antwort wie bezogen. John Rennie. /physics/251385/an-explanation-of-hawking-radiation/252236#252236

Und Anders Sandbergs

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