Sabíamos que los agujeros negros tienen temperatura,resulta que también tienen presión

En la teoría clásica de la relatividad general, los agujeros negros son objetos relativamente simples. Pueden describirse por solo tres propiedades: masa, carga y rotación. Pero sabemos que la relatividad general es una teoría incompleta. La mecánica cuántica es más evidente en el comportamiento de objetos diminutos, pero también juega un papel en objetos grandes como los agujeros negros.

Para describir los agujeros negros a nivel cuántico, necesitamos una teoría de la gravedad cuántica. Todavía no tenemos una teoría completa, pero lo que sabemos hasta ahora es que la mecánica cuántica hace que los agujeros negros sean más complejos, dándoles propiedades como la temperatura y quizás incluso la presión.

Impresión de un artista del agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia. (Crédito de la imagen: ESO / L. Calçada)

La temperatura es quizás la propiedad cuántica más conocida de un agujero negro. Debido a la falta de claridad de las partículas cuánticas, la energía no puede estar completamente limitada por el horizonte de eventos de un agujero negro. A veces, la energía puede escapar de su prisión gravitacional a través de un proceso conocido como radiación de Hawking. La cantidad de energía que escapa es minúscula, pero significa que los agujeros negros tienen una temperatura (muy fría). Y eso significa que los agujeros negros se pueden describir en términos de las leyes de la termodinámica. Para la materia regular, la termodinámica describe no solo la temperatura de un objeto, sino también propiedades como la presión. Ahí es donde entra este nuevo estudio.

La entropía de un agujero negro está relacionada con el área del horizonte de eventos. Crédito: Jacob D. Bekenstein

El equipo estaba analizando una propiedad termodinámica conocida como entropía. La entropía es un concepto sutil, a menudo descrito como una medida del desorden de un sistema o la cantidad de información necesaria para describir un sistema. Se relaciona con la temperatura de un objeto a través de la segunda ley de la termodinámica. En los agujeros negros, la entropía está relacionada con el área de la superficie de un horizonte de eventos. Los físicos estudian la entropía de los agujeros negros porque podría ayudarnos a responder preguntas fundamentales sobre la gravedad cuántica, como si un agujero negro puede destruir información.

Entonces, el equipo estaba aplicando ecuaciones de entropía a un agujero negro simple, tratando de averiguar qué sucede cuando se extienden las ecuaciones de Einstein a la teoría cuántica, que es un truco común conocido como enfoque semiclásico. Cuando hicieron esto, siguieron obteniendo términos extra extraños en sus ecuaciones que no esperaban. Estos términos no tenían sentido hasta que el equipo los consideró en términos de presión. Resulta que los términos adicionales actúan como presión para un agujero negro de la misma manera que los átomos de gas en un recipiente crean presión. En otras palabras, cuando aplicas la teoría cuántica a un agujero negro, obtienes tanto temperatura como presión.

Al igual que con la temperatura de Hawking, esta presión cuántica para un agujero negro es extremadamente pequeña. Es demasiado pequeño para afectar los tipos de agujeros negros que vemos en el universo. Pero el hecho de que exista podría tener consecuencias reales para las regiones más extremas del cosmos, como el Big Bang. Este modelo en particular es demasiado simple para aplicarlo a sistemas reales, pero es una pista interesante hacia una teoría más completa de la gravedad cuántica.

Referencia:

X. Calmet, F. Kuipers. “ Correcciones gravitacionales cuánticas a la entropía de un agujero negro de Schwarzschild ”. Revisión física D 104.6 (2021): 066012. [ preimpresión de arXiv ]

Fuente: Universe Today , por el Dr. Brian Koberlein.

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