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¿Es posible que un agujero negro tenga un crecimiento desbocado?

Tengo entendido que el radio de un agujero negro crece en proporción a la masa. Si este es el caso, entonces el volumen de un agujero negro crece exponencialmente por unidad de masa. Eso significa que debería haber un punto en el que su crecimiento causado por la adición de un kilo consuma suficiente espacio como para que, teniendo en cuenta la densidad media del espacio, se produzca un crecimiento desbocado.

A continuación hay una fórmula que creo que debería calcular esto. Toma la fórmula del radio de Schwarzschild pero encuentra el volumen delta entre dos esferas y lo multiplica por la densidad media del espacio $Z$ para calcular el radio de Schwarzschild de un agujero negro con esa masa. si eso es igual al delta entre los radios utilizados en las dos esferas, entonces en el radio de $r_2$ empezarías a tener un crecimiento desbocado. Dime si esto es correcto o incluso posible. El número que estaba obteniendo era tan grande que esto es esencialmente imposible considerando la masa del universo.

$$\frac{2GZ}{c^2} \left(\frac{4}{3} \pi r_2^3 ~-~ \frac{4}{3} \pi r_1^3 \right)=r_2-r_1$$

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Jim Puntos 16080

Nótese que el volumen dentro del radio de Schwarzschild no aumenta exponencialmente con la masa, sino como el cubo de la masa. Lo has representado así en la ecuación, pero sería bueno que también lo hicieras bien en la redacción, no sea que confundas a alguien con el que hables después.

Esencialmente, lo que has encontrado es la noción de que si tuvieras una región de materia con cierta densidad media, entonces existe un radio de esta región por encima del cual sería automáticamente un agujero negro. Esto es cierto. Si tienes una nube de gas con densidad uniforme, entonces como la masa de esta nube aumentaría proporcionalmente al radio al cubo, su radio de Schwarzschild aumentaría proporcionalmente a su radio real al cubo. Mientras que el radio de Schwarzschild comenzaría siendo menor que el radio real (por lo tanto, no hay problema), a medida que el tamaño de la nube se hace arbitrariamente grande, el radio de Schwarzschild supera el radio real y la nube representaría automáticamente un agujero negro.

Esto no significa que debamos preocuparnos por la formación de agujeros negros fuera de control. Esto sólo es válido para regiones con un centro de masa definido. Una región infinita o casi infinita de densidad uniforme no formaría un agujero negro. Puede que no esté de acuerdo y que invoque el teorema de la cáscara. Sin embargo, esto no predice un agujero negro porque sin un centro de masa definitivo, cada punto es efectivamente el centro y, por tanto, el teorema de la cáscara afirmaría que cada punto siente el efecto de la gravitación de una esfera de radio cero (y que toda la materia fuera de la esfera no contribuye con ninguna fuerza neta). Elegir arbitrariamente un centro y afirmar que se forma un agujero negro a su alrededor es un error. Siempre será cancelado por el efecto gravitatorio de la materia que se encuentra en el lado opuesto de un observador. Admito que el espacio sería extraño, pero un rayo de luz no se desviaría en ninguna dirección concreta por la gravedad; atravesaría el espacio perfectamente (aparte de la dispersión de la materia).

Dado que cualquier punto del espacio es efectivamente el centro del universo observable en ese punto, la densidad de masa media del espacio debe anularse en todos los lados. Esto significa que la única forma en que un agujero negro podría alcanzar un "punto de fuga" es acumulando sobredensidades de materia lo suficientemente rápido como para superar primero ese radio; no basta con tener un universo lo suficientemente grande como para situar a un observador en ese radio. Hay dos cosas importantes que impiden un agujero negro de este tipo: la primera es la Límite de Eddington como se menciona en uno de los comentarios, lo que hace muy difícil que el agujero negro acumule la masa que necesita con la suficiente rapidez. La segunda es que, dada la densidad media del universo observable (incluyendo la materia oscura y no sólo la ordinaria, porque ¿por qué no?), el radio de Schwarzschild del universo observable acaba siendo menos del doble de su radio real. Esto es genial porque, como se ha dicho, no se puede formar un agujero negro de forma espontánea simplemente haciendo que el radio de Schwarzschild de algo como el universo sea mayor que el radio real (cada punto del espacio es el centro) y nunca se podrá hacer que un agujero negro preexistente crezca hasta ser más grande que la mitad del radio del universo observable porque quedaría fuera de contacto causal consigo mismo (un lado del horizonte de sucesos estaría en el borde del universo observable visto desde el otro lado). Por no hablar de todo el asunto de la energía oscura que tiene una densidad de energía negativa (pero no compliquemos más esto).

¿Cortocircuito? Técnicamente no te equivocas, pero hay muchas cosas que impiden que lo que te preocupa se convierta en un problema

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karl.r Puntos 422

Obsérvese que para que un agujero negro crezca realmente necesito para obtener esa masa de alguna parte. Así que supongamos que para un núcleo colapsado de una supernova no queda realmente mucha masa a su alrededor que atraer para añadir o caer por debajo del radio de Schwarzschild. Por lo tanto, tu predicción de que el agujero negro va a experimentar un crecimiento desbocado es incompleta, ya que la masa tiene que ser suministrada desde algún lugar.

Obsérvese que los agujeros negros pueden ganar algo de masa, como cuando absorben otras estrellas y materia cercanas, pero normalmente no crecerá hasta ganar tanta masa comparable a la del universo, ya que la distribución de la materia es tal que el agujero negro acabará alcanzando un estado de equilibrio, suponiendo que orbita alrededor de otra masa mayor. Por lo tanto, el agujero negro puede evaporarse por radiación Hawking durante un largo periodo de tiempo y su masa no crecerá significativamente.

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kiwi Puntos 31

La sección transversal de captura gravitacional de un agujero negro (no giratorio) es $\frac{27 \pi G^2}{c^4}M^2$ que se escala como el cuadrado de la masa. Así que si el agujero negro está rodeado de partículas que se mueven al azar con densidad $\rho$ y la velocidad $v$ el flujo de entrada sería $$\dot{M}=\frac{27 \pi G^2 \rho v}{c^4}M^2=\alpha M^2.$$

La solución de esta ecuación diferencial es $$M(t)=\frac{1}{(1/M_0) - \alpha t}$$ donde $M_0$ es la masa inicial. Esta ecuación hace que la masa llegue al infinito cuando $t=1/\alpha M_0$ .

Si utilizamos $\rho=10^{-17}$ kg/m $^3$ para el medio interestelar típico, establecer $v=10^5$ m/s para la velocidad de las partículas, para un $M_0=M_\odot$ agujero negro $t=3.4\times 10^{26}$ años. Esto va más allá de la escala de tiempo ( $\approx 10^{20}$ años) se espera que la galaxia se disuelva cinemáticamente. Sin embargo, si se pone $10^6 M_\odot$ agujero negro central y las escalas de tiempo se vuelven similares (lo cual no es del todo una coincidencia: esta es la escala de tiempo para que la mayor parte de la masa de la galaxia se difunda en cualquier parte de ella).

Por supuesto, en la práctica el agujero negro creciente agotará las partículas y habrá otros factores (como la presión de la luz del disco de acreción) que complicarán las cosas.

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