Mengapa lubang hitam sangat dingin?

"Lubang hitam paling masif di Semesta, lubang hitam supermasif dengan jutaan kali matematika [sic] Matahari akan memiliki suhu 1,4 x Kelvin. Itu rendah. Hampir mutlak nol, tetapi tidak cukup. Sebuah lubang hitam massa matahari mungkin memiliki suhu hanya 0,00000006 Kelvin. "$10^{-14}$

5 September 2016 oleh Fraser Cain, Universe Today

Lubang hitam menyerap setiap bentuk energi, bahkan cahaya. Penyerapan energi harus menaikkan suhu tetapi tetap saja sangat dingin, mengapa?

Di bawah General Relativity (GR) saja, horizon peristiwa Black Hole (BH) adalah titik tidak bisa kembali - apa pun yang melewati horizon peristiwa hilang dan hilang selamanya, dan tidak ada yang keluar. Oleh karena itu, di bawah GR saja, BH sama sekali hitam dan tidak memiliki suhu sama sekali.

Inilah sebabnya mengapa penyerapan radiasi (atau apa pun) oleh BH tidak menaikkan suhu - hanya akan tertelan dan hilang. (Massa, momentum sudut dan muatan tetap ada, tapi itu saja - lihat Teorema Tanpa Rambut .)

(Catatan: Disk akresi yang mengelilingi BH memang bisa sangat panas, tapi itu hal lain sama sekali.)

Stephen Hawking menemukan bahwa menerapkan mekanika kuantum ke BH menunjukkan bahwa BH akan memancarkan semprotan radiasi acak, dan bahwa radiasi itu persis seperti yang dipancarkan benda hitam - radiasi benda hitam . Ini disebut radiasi Hawking .

Radiasi benda hitam hanyalah emisi termal dari penyerap radiasi yang sempurna, dan mengarah pada kesimpulan yang tak terhindarkan bahwa BH memang memiliki suhu tidak nol. Menariknya, analisis Hawking menunjukkan bahwa suhu efektif BH berbanding terbalik dengan massanya dan bahwa massa surya BH (yang terkecil yang kami punya bukti aktual) akan memiliki suhu sekitar 0,00000006 K. Agak dingin, tetapi masih bukan nol.

Perhatikan bahwa, secara tidak sengaja, massa matahari BH menjadi lebih dingin karena menyerap radiasi. Karena radiasi apa pun (atau apa pun) yang diserapnya meningkatkan massanya, dan karena massa BH yang lebih tinggi lebih dingin, semakin banyak energi yang Anda buang menjadi satu, semakin dingin pula yang didapatnya!

Anda sudah mendapatkan jawaban yang sangat bagus. Saya hanya ingin menunjukkan ini:

"Temperatur" lubang hitam lebih seperti "cara bicara". Ini bukan suhu seperti biasanya dipahami.

Ada proses yang disebut radiasi Hawking di mana kekosongan dekat lubang hitam menghasilkan aliran partikel, meminjam energi dari gravitasi lubang hitam untuk membuat partikel-partikel itu - dan karenanya tampak seperti lubang hitam "memancarkan" radiasi. Karena ini adalah radiasi, secara teori Anda bisa mengukur suhunya. Tapi itu hanya suhu radiasi Hawking.

Jelas Anda tidak bisa memasukkan termometer ke dalam lubang hitam.

Lubang hitam menyerap setiap bentuk energi, bahkan cahaya. Penyerapan energi harus menaikkan suhu tetapi tetap saja sangat dingin, mengapa?

Karena pelebaran waktu gravitasi yang tak terbatas. Yang perlu dipahami adalah bahwa suhu adalah ukuran gerak. Gas panas adalah gas dimana molekul rata-rata bergerak lebih cepat daripada gas dingin. Lihat artikel suhu Wikipedia dan catat ini: "Suhu teoritis terdingin adalah nol mutlak, di mana gerakan termal semua partikel fundamental dalam materi mencapai minimum" . Pelebaran waktu gravitasi berarti benda bergerak lebih lambat. Ketika pelebaran waktu gravitasi tidak terbatas, segala sesuatu tidak bergerak sama sekali. Inilah sebabnya mengapa lubang hitam awalnya dikenal sebagai bintang beku.

Stephen Hawking menulis sebuah makalah pada tahun 1972 dengan Brandon Carter dan Jim Bardeen di mana mereka mengatakan "Namun harus ditekankan bahwa κ / 8π dan A berbeda dari suhu dan entropi lubang hitam. Bahkan suhu efektif dari lubang hitam adalah nol mutlak ” .

Robert Wald mengatakan hal yang sama dalam fisika lubang hitam . Pada halaman 69 ia berkata dalam fisika lubang hitam klasik "κ tidak ada hubungannya dengan suhu fisik lubang hitam, yang mutlak nol dengan kriteria masuk akal" .

Lubang hitam dikatakan memiliki suhu efektif berdasarkan radiasi Hawking, tetapi seperti yang dikatakan Fraser Cain, ini sangat rendah. Dan seperti kata Mark, "di bawah GR saja, BH sama sekali hitam dan tidak memiliki suhu sama sekali" . Lebih penting lagi, radiasi Hawking dikatakan dipancarkan dari luar horizon peristiwa. Jadi sebenarnya bukan suhu lubang hitam. Sama seperti "piringan akresi yang mengelilingi BH memang bisa sangat panas" tetapi sebenarnya bukan suhu lubang hitam.

Lubang hitam memancar, lihat radiasi Hawking. Dan semakin banyak materi yang mereka serap, semakin dingin pula mereka

Agar lubang hitam menguap, energi harus sepenuhnya keluar dari sumur potensinya. Untuk membuat analogi yang agak kasar, jika kita menembakkan roket dari permukaan Bumi maka di bawah kecepatan lepas roket itu akhirnya akan jatuh kembali. Roket harus memiliki kecepatan yang lebih besar daripada kecepatan lepas untuk sepenuhnya keluar dari Bumi.

Ketika kita mempertimbangkan lubang hitam, alih-alih kecepatan lepas, kita menganggap pergeseran merah gravitasi. Pergeseran merah mengurangi energi dari radiasi yang keluar, sehingga mengurangi energi dari radiasi yang dipancarkan oleh kondisi vakum yang lebih panas di dekat horizon peristiwa. Jika pergeseran merah tidak terbatas maka radiasi yang dipancarkan menjadi merah bergeser ke nol dan dalam hal ini tidak akan ada radiasi Hawking. Jika pergeseran merah tetap terbatas maka radiasi yang dipancarkan masih memiliki energi non-nol saat mendekati tak terhingga spasial. Dalam hal ini sebagian energi terlepas dari lubang hitam, dan inilah yang kita sebut radiasi Hawking. Energi ini pada akhirnya berasal dari energi massa lubang hitam, sehingga massa / energi lubang hitam berkurang dengan jumlah atau radiasi yang telah lolos. Seseorang dapat mengatur reaksi penghasil panas untuk terjadi di dalam horizon peristiwa lubang hitam. Sebagai contoh, saya dapat menjatuhkan dua blok materi dingin pada lintasan sehingga mereka bertabrakan di dalam cakrawala, menghasilkan panas. Tidak ada yang istimewa tentang ruangwaktu di dalam cakrawala dalam hal ini kecuali bahwa panas dari tabrakan tidak akan terlihat oleh pengamat luar karena cakrawala. Apa yang tidak biasa tentang wilayah ini adalah bahwa dalam waktu singkat (seperti yang dialami oleh benda-benda) mereka - dan emisi panas - akan memenuhi singularitas dan pada titik ini kita tidak memiliki teori yang menggambarkan apa yang terjadi. Karena topologi wilayah tersebut sedemikian rupa sehingga singularitas lebih seperti titik waktu daripada tempat di ruang, juga tidak ada panas yang tersisa di ruang interior maupun rasa suhu singularitas.

Cakrawala peristiwa tidak peduli jika benda-benda yang melintasinya adalah energi atau materi. Alasan untuk akresi disk dan jet berbeda: objek non-black hole seperti bintang yang terbentuk dan bintang neutron juga memiliki disk dan jet. Pada dasarnya cakram terjadi karena materi berinteraksi dan perlahan-lahan melepaskan momentum sudut dan energi potensial melalui interaksi turbulen, dan jet terjadi karena plasma yang dihasilkan menghasilkan medan magnet yang kuat dan menghalangi radiasi ke arah khatulistiwa.

Saya telah mengambil referensi dari beberapa jawaban seperti. John rennie. /physics/251385/an-explanation-of-hawking-radiation/252236#252236

Dan Anders Sandberg

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