Tại sao hố đen cực lạnh?

"Các lỗ đen khổng lồ nhất trong vũ trụ, các lỗ đen siêu lớn với hàng triệu lần toán học của Mặt trời sẽ có nhiệt độ 1,4 x Kelvin. Đó là mức thấp gần như tuyệt đối, nhưng không hoàn toàn. A lỗ đen khối lượng mặt trời có thể có nhiệt độ chỉ 0,00000006 Kelvin. "$10^{-14}$

Ngày 5 tháng 9 năm 2016 bởi Fraser Cain, Universe Today

Lỗ đen hấp thụ mọi dạng năng lượng, thậm chí là ánh sáng. Hấp thụ năng lượng nên tăng nhiệt độ nhưng vẫn rất lạnh, tại sao?

Chỉ tính theo Thuyết tương đối rộng (GR), chân trời sự kiện của Hố đen là điểm không thể quay lại - bất cứ điều gì đi qua chân trời sự kiện đều bị mất và biến mất mãi mãi, và không có gì xuất hiện. Do đó, dưới GR một mình, BH hoàn toàn màu đen và hoàn toàn không có nhiệt độ.

Đây là lý do tại sao sự hấp thụ bức xạ (hoặc bất cứ thứ gì khác) bởi BH không làm tăng nhiệt độ của nó - nó chỉ bị nuốt chửng và mất đi. (Đó là khối lượng, động lượng góc và điện tích vẫn còn, nhưng đó là tất cả - xem Định lý Không có Tóc .)

(Lưu ý: Các đĩa bồi đắp dần mà bao quanh một BH có thể rất nóng thực sự, nhưng đó là điều hoàn toàn khác.)

Stephen Hawking đã khám phá ra rằng việc áp dụng cơ học lượng tử vào BH cho thấy rằng BH sẽ phát ra một tia phóng xạ ngẫu nhiên, và bức xạ đó chính xác là thứ mà một vật thể đen sẽ phát ra - bức xạ vật đen . Đây được gọi là bức xạ Hawking .

Bức xạ vật đen chỉ đơn giản là phát thải nhiệt của một chất hấp thụ hoàn hảo của bức xạ, và dẫn đến kết luận không thể tránh được rằng một BH không có một nhiệt độ khác không. Thật thú vị, phân tích của Hawking cho thấy nhiệt độ hiệu quả của BH tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó và các BH khối lượng mặt trời (nhỏ nhất mà chúng ta có bằng chứng thực tế) sẽ có nhiệt độ khoảng 0,00000006 K. Kinda lạnh, nhưng vẫn không bằng không.

Lưu ý rằng, một cách vô tình, một khối lượng mặt trời BH trở nên lạnh hơn khi nó hấp thụ bức xạ. Bởi vì bất kỳ bức xạ nào (hoặc bất cứ thứ gì khác) nó hấp thụ đều làm tăng khối lượng của nó, và vì BH có khối lượng càng cao thì càng lạnh, bạn càng đổ nhiều năng lượng vào một cái, nó càng lạnh hơn!

Bạn đã có một số câu trả lời rất tốt rồi. Tôi chỉ muốn chỉ ra điều này:

"Nhiệt độ" của lỗ đen giống như "cách nói". Đó không phải là nhiệt độ như thường được hiểu.

Có quá trình này được gọi là bức xạ Hawking trong đó chân không gần lỗ đen tạo ra một dòng các hạt, mượn năng lượng từ trọng lực của lỗ đen để tạo ra các hạt đó - và do đó, nó trông giống như lỗ đen "phát ra" bức xạ. Vì đây là bức xạ, theo lý thuyết bạn có thể đo nhiệt độ của nó. Nhưng đó chỉ là nhiệt độ của bức xạ Hawking.

Rõ ràng là bạn không thể dán nhiệt kế vào lỗ đen.

Lỗ đen hấp thụ mọi dạng năng lượng, thậm chí là ánh sáng. Hấp thụ năng lượng nên tăng nhiệt độ nhưng vẫn rất lạnh, tại sao?

Bởi vì sự giãn nở thời gian hấp dẫn vô hạn. Điều cần hiểu là nhiệt độ là thước đo chuyển động. Một khí nóng là một nơi mà các phân tử, trung bình, di chuyển nhanh hơn trong một khí lạnh. Xem bài viết về nhiệt độ Wikipedia và lưu ý điều này: "Nhiệt độ lý thuyết lạnh nhất là 0 tuyệt đối, tại đó chuyển động nhiệt của tất cả các hạt cơ bản trong vật chất đạt đến mức tối thiểu" . Sự giãn nở thời gian hấp dẫn có nghĩa là mọi thứ đang di chuyển chậm hơn. Khi sự giãn nở thời gian hấp dẫn là vô hạn, mọi thứ không chuyển động chút nào. Đây là lý do tại sao lỗ đen ban đầu được gọi là ngôi sao băng giá.

Stephen Hawking đã viết một bài báo vào năm 1972 với Brandon Carter và Jim Bardeen, trong đó họ nói rằng "Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng κ / 8π và A khác biệt với nhiệt độ và entropy của lỗ đen. Trên thực tế, nhiệt độ hiệu quả của lỗ đen là hoàn toàn không có .

Robert Wald nói nhiều điều tương tự trong vật lý lỗ đen . Ở trang 69, ông nói trong vật lý lỗ đen cổ điển, κ không liên quan gì đến nhiệt độ vật lý của lỗ đen, hoàn toàn bằng không bởi bất kỳ tiêu chí hợp lý nào .

Lỗ đen được cho là có nhiệt độ hiệu quả nhờ bức xạ Hawking, nhưng như Fraser Cain nói, nó rất thấp. Và như Mark đã nói, "dưới GR một mình, BH hoàn toàn đen và không có nhiệt độ nào cả" . Quan trọng hơn, bức xạ Hawking được cho là phát ra từ bên ngoài chân trời sự kiện. Vì vậy, nó không thực sự là nhiệt độ của lỗ đen. Giống như "đĩa bồi tụ bao quanh BH thực sự có thể rất nóng" nhưng thực tế nó không phải là nhiệt độ của lỗ đen.

Lỗ đen làm bức xạ, xem bức xạ Hawking. Và càng hấp thụ nhiều vật chất, chúng càng lạnh hơn

Để một lỗ đen bay hơi, năng lượng phải hoàn toàn thoát khỏi giếng tiềm năng của nó. Để tạo ra một sự tương tự khá thô sơ, nếu chúng ta bắn một tên lửa từ bề mặt Trái đất thì dưới tốc độ thoát của tên lửa cuối cùng sẽ rơi trở lại. Tên lửa phải có vận tốc lớn hơn vận tốc thoát để hoàn toàn thoát khỏi Trái đất.

Khi chúng ta đang xem xét một lỗ đen, thay vì tốc độ thoát, chúng ta xem xét sự dịch chuyển màu đỏ hấp dẫn. Sự thay đổi màu đỏ làm giảm năng lượng của bất kỳ bức xạ đi, do đó nó làm giảm năng lượng của bất kỳ bức xạ nào phát ra từ trạng thái chân không nóng hơn gần đường chân trời sự kiện. Nếu sự thay đổi màu đỏ là vô hạn thì bức xạ phát ra sẽ bị dịch chuyển màu đỏ thành không có gì và trong trường hợp này sẽ không có bức xạ Hawking. Nếu sự dịch chuyển màu đỏ vẫn là hữu hạn thì bức xạ phát ra vẫn có năng lượng khác không khi nó tiến đến vô cực không gian. Trong trường hợp này, một số năng lượng thoát ra khỏi lỗ đen và đây là thứ mà chúng ta gọi là bức xạ Hawking. Năng lượng này cuối cùng đến từ năng lượng khối của lỗ đen, vì vậy khối lượng / năng lượng của lỗ đen bị giảm bởi lượng hoặc bức xạ đã thoát ra. Người ta có thể sắp xếp một phản ứng sinh nhiệt diễn ra bên trong chân trời sự kiện của một lỗ đen. Ví dụ, tôi có thể thả hai khối vật chất lạnh trên quỹ đạo để chúng va chạm vào bên trong đường chân trời, tạo ra nhiệt. Không có gì đặc biệt về không thời gian bên trong đường chân trời về mặt này ngoại trừ sức nóng từ vụ va chạm sẽ không được nhìn thấy bởi các nhà quan sát bên ngoài do đường chân trời. Điều bất thường ở khu vực này là trong một thời gian ngắn (theo kinh nghiệm của các đối tượng), chúng - và sự phát xạ nhiệt - sẽ đáp ứng điểm kỳ dị và tại thời điểm này chúng ta không có lý thuyết nào mô tả những gì xảy ra. Vì cấu trúc liên kết của khu vực sao cho điểm kỳ dị giống như một điểm trong thời gian hơn là một nơi trong không gian, cũng không có nhiệt độ kéo dài trong không gian bên trong cũng như bất kỳ cảm giác nào về nhiệt độ của điểm kỳ dị.

Chân trời sự kiện không quan tâm nếu những thứ vượt qua chúng là năng lượng hay vật chất. Lý do cho các đĩa bồi tụ và máy bay phản lực là khác nhau: vật thể không phải lỗ đen như sao đang hình thành và sao neutron cũng có đĩa và máy bay phản lực. Về cơ bản các đĩa xảy ra do vật chất đang tương tác và từ từ làm mất động lượng góc và năng lượng tiềm năng thông qua các tương tác hỗn loạn, và các tia nước xảy ra do plasma tạo ra từ trường mạnh và ngăn chặn bức xạ theo hướng xích đạo.

Tôi đã tham khảo từ một số câu trả lời như thế. John rennie. /physics/251385/an-explanation-of-hawking-radiation/252236#252236

Và của Sand Sand

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