Astronomie

Comment fonctionne le rayonnement de colportage sans particules virtuelles ?

Comment fonctionne le rayonnement de colportage sans particules virtuelles ?

Comment fonctionne le rayonnement colporteur sans l'existence de particules virtuelles ? J'ai lu que certains champs quantiques sont déformés lorsqu'un trou noir se forme au-dessus d'eux. Mais dans quels domaines concrètement ? Si le rayonnement de colportage est un rayonnement thermique, alors ce devrait être le champ de photons qui est déformé, n'est-ce pas ?


Si les particules virtuelles n'existent pas, comment prennent-elles vie à l'horizon des événements ?

La plupart d'entre vous (pas moi) savent que les particules virtuelles ne sont qu'un surnom pour certains termes de perturbation. Ma question est donc de savoir comment ces perturbations deviennent des particules au bord d'un horizon des événements pour créer le rayonnement de Hawking. Existe-t-il un mécanisme que nous connaissons grâce aux théories actuelles (autre que "l'énergie doit provenir d'une manière ou d'une autre du champ gravitationnel") ou nous devrons attendre une compréhension complète de la gravité quantique ? Qu'est-ce qui doit spécifiquement changer dans cette perturbation pour changer son statut de virtuel à réel ? Comment obtiennent-ils l'énergie?


La façon la plus simple de voir cela est la troisième loi de la thermodynamique : chaque objet dans l'univers doit avoir une température > 0K, y compris les trous noirs. Les objets qui ont une température rayonnent. Donc, si la température du rayonnement de fond cosmique micro-ondes est inférieure à la température d'un trou noir, le trou noir doit rayonner plus d'énergie dans l'univers qu'il n'en reçoit (en supposant qu'il n'y ait pas de masse pour y tomber) , ce qui signifie qu'il perd de l'énergie nette. Cette énergie vient (au moyen de l'équivalence de masse et d'énergie) de l'énorme masse d'un trou noir. Il existe de nombreuses façons plus compliquées de formuler et d'affiner cela, mais en substance, il y a deux choses fondamentales derrière le processus : la thermodynamique et l'équivalence de la masse et de l'énergie.

Samir Mathur donne un compte rendu très accessible (heuristique ?) du rayonnement de Hawking et explique pourquoi il conduit à la perte de masse du trou noir. Vous pouvez accéder à la page ici. C'est un travail en cours et est mis à jour environ une fois tous les deux mois.

Pour résumer, la durée de vie des particules est dictée par $Delta E Delta t < frac<2>.$ Normalement, cela signifie que plus la paire virtuelle particule-antiparticule est massive, plus sa durée de vie est courte. Cependant près de l'horizon d'un trou noir, l'énergie potentielle gravitationnelle est si négative que l'énergie totale de la paire (énergie au repos plus énergie potentielle gravitationnelle) est essentiellement nulle. Ainsi, la paire peut devenir longue durée. Du couple, l'un d'eux s'échappe vers l'infini, et l'autre tombe au-delà de l'horizon. Celui qui tombe aura une énergie totale négative, car l'énergie potentielle gravitationnelle négative l'emporte sur toute énergie de masse au repos ou énergie cinétique positive. En conséquence, l'énergie négative entre dans le trou noir et l'énergie positive en sort. De loin, nous le voyons comme le trou noir perdant de la masse. Notez que peu importe que ce soit la particule ou l'antiparticule qui s'échappe - l'énergie négative se produit à cause de l'énergie potentielle gravitationnelle très négative, peu importe que ce soit une particule ou une antiparticule qui tombe. Après tout, les deux les particules et les antiparticules ont une énergie de masse au repos positive.

C'est donc une explication approximative (ondulée à la main) de la façon dont le rayonnement de Hawking conduit à la perte de masse d'un trou noir.


Particules virtuelles et rayonnement de Hawking

J'avais une conversation avec un physicien sur Facebook (auteur d'un livre que j'ai plutôt apprécié - "Guide de l'utilisateur de l'univers"), et il a laissé la conversation se terminer sans que ma question soit jamais complètement répondue. Peut-être que quelqu'un ici peut m'aider à m'expliquer cela.

Je vais coller toute la conversation, mais le résumé est :

Le rayonnement de Hawking est causé par l'apparition de particules virtuelles près de l'horizon des événements d'un trou noir. Les particules virtuelles se présentent sous forme de paires matière/anti-matière et entraînent en quelque sorte l'évaporation éventuelle du trou noir. J'avais eu l'impression que cela avait été accompli parce que la particule d'antimatière aurait une attraction plus forte vers le trou noir et s'annihilerait, tandis que la particule de matière serait éjectée. Cela entraînerait une perte nette de masse dans le trou noir.

Le problème est que je ne me souviens pas pourquoi la particule d'antimatière serait celle qui serait attirée, et si c'est le hasard avec égalité des chances qui tombe, le trou noir gagnerait de la masse aussi souvent qu'il perdrait de la masse et ne s'évaporerait jamais réellement .

Ma question est de savoir par quel mécanisme le rayonnement de Hawking fait diminuer la masse du trou noir au fil du temps

Transcription (lecture facultative) :
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Richard Henriette
Vous m'embrouillez, monsieur.

Citation
[Mais par chance, l'électron tombe sous l'horizon des événements du trou noir et disparaît pour toujours. Le positron (comme tous les dysfonctionnements du holodeck) passe du virtuel au réel et s'envole dans le cosmos.]

Je pensais que la particule était émise et que l'anti-particule tombait dans le trou noir en s'annihilant, entraînant ainsi l'évaporation éventuelle du trou noir? Si l'électron tombe et que le positron est émis, la masse du trou noir n'augmenterait-elle pas avec le temps ?

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Un guide de l'utilisateur de l'univers
L'un ou l'autre peut tomber dedans. L'univers ne fait pas la distinction entre les deux, c'est donc par hasard que l'on se fait manger. En pratique (dans mon exemple), le positron finira par heurter un électron et s'annihilera, produisant des photons. Plus communément, la "paire" sera deux photons (puisque les photons sont leurs propres anti-particules), dont l'un tombera et l'autre s'échappera.

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Richard Henriette
L'évaporation des trous noirs ne peut alors pas se produire si c'est par hasard.

Si l'antiparticule tombe et que la particule s'échappe : la masse du trou noir va diminuer

Si la particule tombe et que l'antiparticule s'échappe : la masse du trou noir va augmenter

Dans tous les cas avec les photons, aucun changement de masse ne se produit (ce que je ne comprends toujours pas car les photons ont de l'énergie et l'énergie équivaut à la masse)

Si nous parlons de chance aléatoire, les deux premiers cas se produiront à peu près le même nombre de fois, ce qui n'entraînera aucun changement dans la masse.

Je me souviens avoir lu quelque part une explication expliquant pourquoi la particule d'antimatière avait plus d'attraction que la particule de matière, mais pour la vie de moi, je ne me souviens pas de ce que c'était. En fait, sur la base de ma compréhension rudimentaire de la physique, je ne vois aucune raison pour laquelle ce serait le cas de toute façon. Alors, les trous noirs ne s'évaporent-ils pas avec le temps ?

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Un guide de l'utilisateur de l'univers
Non non. Les masses des deux sont positives. Oubliez la particule qui tombe. La particule qui s'échappe emporte de l'énergie, et puisque finalement l'énergie empruntée au vide doit être remboursée, cette énergie provient de l'énergie de masse du trou noir, ce qui la fait s'évaporer.

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Richard Henriette
Mais alors par quel mécanisme est-il remboursé ? Si l'énergie des deux particules est positive et qu'une particule tombe dans le trou noir, comment cela diminue-t-il la masse du trou noir ?


Comment fonctionne Hawking Radiation ?

Vous êtes-vous déjà demandé si les trous noirs émettent de la lumière même si la lumière ne peut pas y échapper ? C'est à cause de Hawking Radiation. Alors, comment fonctionne Hawking Radiation ?

La physique quantique impliquée

Donc, pour comprendre ce phénomène étonnant, il faut d'abord comprendre un peu la physique quantique. Selon une vidéo Space Time de PBS 1 , un soi-disant vide est rempli de champs quantiques. Alors que les fréquences positives représentent des particules normales, les fréquences négatives échantillonnent l'antimatière. De cette façon, si ces deux sont en équilibre, c'est un véritable vide. Par conséquent, les particules virtuelles apparaissent toujours et ne sont que des outils de calcul des fluctuations quantiques. Cependant, si des déséquilibres apparaissent et que certaines fréquences dépassent l'inverse, une véritable particule se forme. En conséquence, lorsque les particules de matière et d'antimatière se rencontrent, elles s'annihilent et disparaissent. Et c'est ce que fait Hawking Radiation.

Comment fonctionne Hawking Radiation ?

Dans des conditions idéales, les particules s'annihilent comme d'habitude. Cependant, le mécanisme quantique complexe démarre lorsque le trou noir perturbe les objets par son énorme gravité. La physique impliquée est incompréhensiblement compliquée car elle contient beaucoup de formules mathématiques et nécessite beaucoup d'imagination. Pour la version définitive, veuillez regarder la vidéo en référence 1, qui est intégrée ci-dessus.

Pour faire simple, les interactions se produisent à des moments et à des endroits aléatoires. Mais, il y a une chance que la paire se forme près de l'horizon des événements. Si cela se produit, une particule essaie de satisfaire l'appétit massif du trou noir, mais l'autre fusée à travers l'espace. Puis, quelque chose de particulier se produit. La particule vole de l'énergie à l'objet bizarre, ce qui fait perdre de l'énergie au trou noir et, par conséquent, de la masse.

En raison de certains théorèmes mathématiques et quantiques complexes, le rayonnement de Hawking accélère à mesure que le trou noir devient plus petit et émet de la chaleur plus rapidement. Dans les derniers instants de la vie du trou noir, il explose violemment avec une température énorme. Ainsi, si vous avez déjà entendu parler du LHC produisant des monstres gravitationnels capables de manger la planète entière, ne le croyez pas. C'est tout simplement fallacieux à cause de l'existence de Hawking Radiation.


2 réponses 2

Voici la photo extraite du livre

Frolov, V. V. P., & Novikov, I. D. (1998). Physique des trous noirs : concepts de base et nouveaux développements (Vol. 96). Springer. Livres Google

nous voyons que pour les trous noirs de masse suffisamment grande, le rayonnement sera entièrement constitué de particules sans masse. Pour des masses plus petites, des électrons et des positons apparaîtraient, pour des nucléons encore plus petits.

Notez que pour des trous noirs encore plus grands, avec des températures inférieures à la masse du neutrino (cela inclut tous les trous noirs d'origine astrophysique), le neutrino et l'antineutrino disparaîtraient du spectre. La masse du neutrino est actuellement inconnue mais si elle est

1eV la masse BH correspondante serait $sim 10^<22>, ext$.

Notez également que toutes ces plages de masses sur la figure sont minuscules par rapport aux normes astrophysiques, donc les trous noirs de telles masses seraient des trous noirs primordiaux

La réponse courte est que, sur la base de notre compréhension actuelle de la physique des particules et de la gravité semi-classique, les trous noirs (à l'exception des plus microscopiques) produiront un spectre de rayonnement de Hawking composé d'une combinaison de photons et de gravitons. Pour un trou noir à faible moment angulaire par rapport à sa masse, le rapport d'émission d'énergie est d'environ 90-10 en faveur des photons. Pour un trou noir en rotation, les gravitons peuvent être favorisés par rapport aux photons.

Dans la première tentative de calcul du spectre du rayonnement de Hawking (Page 1976), le résultat était une prédiction que de l'énergie émise, "81% est en neutrinos, 17% en photons et 2% en gravitons." C'était en 1976, quand on croyait que les neutrinos n'avaient pas de masse. Un trou noir n'émettra pas une quantité significative de rayonnement sous quelque forme que ce soit, de sorte que la température caractéristique du trou (en unités avec $k=1$) soit petite par rapport à la masse de la particule (en unités avec $c=1$). (Voir Traschen 2000, p. 21.) Puisque nous savons maintenant que les neutrinos sont massifs, ils sont hors de combat, à l'exception du plus petit des trous noirs microscopiques.

Pour un trou noir de Schwarzschild émettant des particules sans masse, la puissance $P$ est proportionnelle à $Gamma gamma M^2$, où

$Gamma$ = correction du corps gris = émissivité, allant de 0 à 1

$gamma$ = nombre de degrés de liberté de spin.

Aux basses fréquences (longueurs d'onde grandes par rapport au rayon de Schwarzschild), $Gamma$ peut être dépendant de la fréquence, donc le spectre n'est pas celui d'un corps noir. En raison de la forme de la proportionnalité ci-dessus pour $P$, vous pouvez définir $g=Gamma gamma$ pour chaque espèce de particule, et additionner toutes les valeurs de $g$ pour trouver un total de $g$. Toujours en se limitant à un trou noir de Schwarzschild, les valeurs de $g$ pour différents spins (spin,g) sont les suivantes (Anantua 2008).

Mais ce ne sont que pour un trou noir de Schwarzschild. La situation peut être totalement différente pour la filature de trous noirs (Dong 2015).

Une fois que l'évaporation est suffisamment avancée et que la température du trou noir est comparable aux masses de particules fondamentales, vous pouvez faire évaporer toutes sortes de particules.

Notez que sur la base de recherches récentes, il commence à y avoir des doutes quant à savoir si l'effondrement gravitationnel des étoiles conduit réellement à des trous noirs, ou plutôt à des singularités nues. C'est-à-dire que la censure cosmique commence à sembler douteuse, même au point d'être éventuellement violée lors d'un effondrement astrophysique (Joshi 2013). Si c'est le cas, alors tout ce qui précède est faux pour les objets astrophysiques.


Le rayonnement de Hawking est-il dangereux

Les mathématiques du rayonnement de Hawking suggèrent que sa longueur d'onde devrait être du même ordre que le rayon de Schwarzschild du trou noir et, par conséquent, qu'il devrait s'agir d'un photon de basse énergie ou d'une autre particule sans masse. En d'autres termes, pour que les rayonnements de Hawking soient ionisants (dangereux), ils doivent être de très haute énergie (c'est-à-dire haute fréquence/faible longueur d'onde), ce qui n'est possible que si le rayonnement provient d'un trou noir extrêmement petit.


Rayonnement Hawking

Je pensais que vous connaissez le rayonnement colportant où une particule virtuelle peut s'échapper, est-il spécifique de savoir quelle particule peut s'échapper comme dans la particule ou est-ce antiparticule? est-ce que cela fait un trou noir comme une machine à "produire" des particules, ces particules échappées peuvent-elles être une fraction significative de la matière manquante/noire, je suppose que cela dépend du nombre de trous noirs et de la quantité de matière qui s'échappe (comment sont les particules traitées lorsqu'il s'agit de rendre compte de la matière noire, y a-t-il comme une valeur de masse sur une période de temps à laquelle ces particules virtuelles contribuent ? ou est-ce considéré comme une masse nette de 0, car elles finissent par s'annuler ?) vitesse à laquelle ces particules s'échappent ? est-il connu, cela varie-t-il pour des trous noirs de différentes tailles ? Je suppose que plus le trou noir est grand, plus il y a de particules qui peuvent s'échapper. parce qu'il y a plus de zone du trou noir où l'une des particules de particules virtuelles peut être absorbée et une s'échapper.

désolé pour tant de questions, c'est un de ces jours.
J'ai lu L'univers en bref de Stephen Hawking, je ne l'ai pas vraiment compris, j'ai été ébloui par les images lol
Merci.

De plus, je me demandais si les ondes gravitationnelles avaient une particule correspondante, est-ce le graviton ou est-ce autre chose?
qu'en est-il de la longueur d'onde de ces vagues sont-elles connues. sont-ils de longues longueurs d'onde plus longues que les ondes radio, j'ai entendu dire que ces ondes sont faibles. car ils n'ont pas beaucoup d'énergie, donc leurs longueurs d'onde seraient plus longues. mais si la spécification em est continue, cela ne fait-il pas des ondes gravitationnelles une forme extrême d'ondes radio ?

encore une chose. quelles sont ces 5 cases roses en haut de cette zone de texte à côté de « avertir (0%) » ? ?
Euh, puis-je changer mon nom d'utilisateur d'une manière ou d'une autre ? je n'aime plus ça, c'est ennuyeux.


Réponses et réponses

Je trouve cela très étrange moi-même. L'"explication" standard que j'ai entendue plusieurs fois sur ce forum est que peu importe dans quelle particule tombe, elle a automatiquement une énergie négative et réduit ainsi la masse du trou noir.

Plus important encore, toute la question des "particules virtuelles" en tant que mécanisme du rayonnement de Hawking est bidon. Hawking a dit que cette "paire de particules" n'est JUSTE qu'une analogie qui était la plus proche qu'il pouvait arriver à décrire en anglais quelque chose qui ne peut vraiment être décrit que par les mathématiques.

Quant à une autre partie de votre article, tout ce qui se passe à l'intérieur de l'horizon des événements n'a aucun rapport avec le reste de l'univers et n'entraîne aucune perte de masse pour le trou noir.


Hawking Radiation : violer les lois de la conservation ?

Wikipédia
Les particules virtuelles sont souvent décrites comme venant par paires, une particule et une antiparticule, qui peuvent être de n'importe quel type. Ces paires existent pendant un temps extrêmement court et s'annihilent mutuellement en peu de temps. Dans certains cas, cependant, il est possible de séparer la paire à l'aide d'une énergie externe afin qu'elle évite l'annihilation et deviennent de véritables particules. C'est une façon de décrire le processus par lequel les trous noirs s'évaporent.
La restriction aux couples particule-antiparticule n'est en effet nécessaire que si les particules en question portent une quantité conservée, telle qu'une charge électrique, qui n'est pas présente à l'état initial ou final. Sinon, d'autres situations peuvent survenir. Par exemple, la désintégration bêta d'un neutron peut se produire par l'émission d'une seule particule W virtuelle chargée négativement qui se désintègre presque immédiatement en un électron réel et un antineutrino que le neutron se transforme en proton lorsqu'il émet la particule W. L'évaporation d'un trou noir est un processus dominé par les photons, qui sont leurs propres antiparticules et ne sont pas chargés.

Des scientifiques de renom, tels que Stephen Hawking, ont postulé que le rayonnement émis par les trous noirs est probablement le résultat de paires de particules où l'on est tombé dans l'horizon des événements du trou noir. L'autre, sans paire pour l'anéantir, s'éloigne sous forme d'émission de rayonnement.

L'énergie est conservée car le trou noir perd une masse égale à la particule qui s'est échappée. L'anti-particule qui est attirée dans le trou noir annihile sa particule opposée à l'intérieur du trou noir, diminuant la masse là-bas.