O que acontecerá com a forma de uma galáxia quando um buraco negro supermassivo no centro morrer (evaporar)?

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O que há no centro da Via Láctea? Neste artigo, diz-se que um buraco negro supermassivo se encontra no centro da galáxia da Via Láctea.

No centro, cercado por 200 a 400 bilhões de estrelas e indetectável ao olho humano e por medições diretas, encontra-se um buraco negro supermassivo chamado Sagitário A *, ou Sgr A *, para abreviar. A Via Láctea tem a forma de uma espiral e gira em torno de seu centro, com longos braços curvados ao redor de um disco ligeiramente abaulado. É em um desses braços perto do centro que o sol e a Terra estão localizados. Os cientistas estimam que o centro galáctico e Sgr A * estão entre 25.000 e 28.000 anos-luz de distância de nós. A galáxia inteira tem cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro.

Nós giramos em torno do centro a cada 250 milhões de anos. Possivelmente giramos por causa do BH.

Quando o buraco negro morrer em nossa galáxia, seremos expulsos da órbita giratória?

Espera-se que a forma da galáxia mude, certo? Será uma forma irregular e não esférica?

Paran Bharali
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A evaporação do buraco negro é tão lenta que, enquanto houver um pouquinho de gás nas proximidades, o infall excederá a evaporação e a massa aumentará.
Ross Millikan
E as BHs continuarão absorvendo a radiação estelar e CMB, aumentando ainda mais sua massa, mesmo que tenham limpado a vizinhança de gás e poeira.
Chappo não esqueceu Monica
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Esta questão é praticamente o mesmo: physics.stackexchange.com/questions/98186/...
Steve Jessop
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@ Acumulação: Concordo, mas parecia que o OP estava pensando no buraco negro evaporando enquanto havia estrelas e uma galáxia normal ao redor. O que quero dizer é que o buraco negro não irá evaporar até muito tempo depois que a região estiver desprovida de material para alimentá-lo.
Ross Millikan
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@ Acumulação Mesmo apenas a radiação de qualquer lugar (CMB, outras galáxias) é forte o suficiente para compensar mais do que as perdas causadas pela radiação Hawking. Lembre-se, um buraco negro é bonito, bem, preto. É uma sombra na frente do CMB (o que vemos nas explosões de raios X etc. do seu ambiente, não é o buraco propriamente dito).
Peter - Restabelece Monica

Respostas:

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Presumivelmente, rodamos por causa da BH.

Não. A galáxia está sendo mantida em uma peça devido à sua própria gravidade total. O buraco negro é apenas uma pequena fração disso. Basicamente, o BH não importa.

Quando o buraco negro morre em nossa galáxia

O BH provavelmente será a última coisa que resta da nossa galáxia no final. E, mesmo assim, levará um tempo incrivelmente longo para evaporar. A evaporação de BH para BHs muito grandes é basicamente o processo mais lento que você possa imaginar.

Será alguma forma irregular não esférica?

A galáxia não é esférica. Sua forma é mais parecida com um disco redondo (com algumas irregularidades e algumas características como braços, etc).

Florin Andrei
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"A evaporação de BH para BHs muito grandes é basicamente o processo mais lento que você pode imaginar." Vários fatores mais lentos do que a taxa (prevista) de decaimento de prótons!
Curiousdannii
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Resposta: Não muito

O buraco negro central (BH) da Via Láctea reúne cerca de 5 milhões de sóis, enquanto a galáxia massa 100 bilhões a um trilhão de sóis. Consequentemente, o BH central é praticamente irrelevante para a dinâmica das órbitas estelares, exceto muito perto do centro.

Mas o que você quer dizer com "o buraco negro morre"? Você quer dizer evapora através da radiação Hawking? (Esse é o único processo que sabemos que pode acabar com uma BH, e é tão lento que a galáxia desapareceu há muito tempo antes que o buraco negro central evapore.)

Mark Olson
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Não se esqueça que a radiação Hawking ainda é uma teoria. Ninguém realmente viu isso. IMHO vale a pena ler a criação de partículas de papel de Hawking em 1975 por buracos negros .
John Duffield
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@ John Duffield: Isso parece interessante. Note, no entanto, que ele está criticando a interpretação termodinâmica de BHs, enquanto a radiação de Hawking surge da aplicação da teoria quântica de campos em um contexto de GR. Se eu entendo as coisas corretamente, principalmente, a radiação Hawking não precisa de um BH, embora seja difícil imaginar que seja observável em qualquer outro lugar. A radiação Hawking é tomada como suporte para a interpretação termodinâmica / analogia / metáfora / o que quer que seja e não uma conseqüência dela.
Mark Olson
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As pessoas afirmam que sim, mas quando você olha para o site nature.com/articles/nphys3863, descobre que é a analogia da cachoeira, que está errada. Einstein rejeitou as coordenadas de Gulstrand-Painlevé por um bom motivo - não vivemos em algum mundo Chicken Little, onde o espaço está caindo.
John Duffield
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Observe que o artigo que afirma que a teoria da radiação Hawking é falho não é publicado nem citado por ninguém. De fato, o autor não possui publicações, mas tem outro artigo publicado no arXiv, começando com " Nosso universo é provavelmente um enorme buraco negro ". Bandeira vermelha!
pela
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@JohnDuffield Por favor, diga "hipótese" em vez de "teoria" quando precedido por "Apenas um ___"
quarta-
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Absolutamente nada resta.

Diz-se que o tempo para a evaporação dos buracos negros estelares excede a meia-vida do próton. Quanto mais os buracos negros galácticos. A propósito, esse tempo está aumentando atualmente, já que até mesmo buracos negros estelares estão crescendo apenas a partir da radiação cósmica de fundo.

O universo deve passar pela fase intermediária dos buracos negros e do espaço vazio antes que isso aconteça.

Joshua
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O ponto sobre o infall da CMB é crucial, eu acho. O universo deve ter idade suficiente para que o fundo seja mais frio que a radiação Hawking do buraco negro, e devemos considerar como será a galáxia até então. Além disso, a galáxia deve estar escura o suficiente para que a parte que circunda o buraco negro seja mais fria que a radiação Hawking, o que meio que lhe diz como ela é. Então o buraco negro começa a evaporar. É apenas termodinâmica, e um buraco negro desse tamanho é incrivelmente frio.
Steve Jessop
Penso que, porque a radiação Hawking é tão pequena, o buraco negro crescerá porque o fluxo líquido de radiação é interno enquanto houver fontes de radiação por perto, mesmo que ignoremos o CMB. Agora, se assumirmos, por diversão, que o universo envelhece o suficiente para restar apenas buracos negros, e se assumirmos que alguns ainda estão dentro do horizonte de eventos um do outro, em algum momento eles não estarão em equilíbrio termodinâmico, ou seja, trocas iguais quantidades de radiação entre si?
Peter - Restabelece Monica
Se o próton decai, ou seja, tudo o que sabemos é que, se ocorrer, a meia-vida deve ser absurdamente longa. E, claro, supondo que não haja outro processo que acabaria "destruindo" tudo, menos os buracos negros.
Luaan 31/05
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@ PeterA.Schneider Não esqueça que o universo está se expandindo. Mesmo que os buracos negros estivessem em equilíbrio térmico naquele momento, a expansão muda isso. No caso extremo, eventualmente (se o espaço-tempo continuar a se expandir pelo menos nas taxas atuais), cada buraco negro não gravitacionalmente ligado a outro buraco negro estará sozinho em seu universo observável.
Luaan
@Luaan True. Nosso grupo local está gravitacionalmente limitado, de modo que Sagitário A * não fique sozinho até que todos os buracos negros tenham caído no último que resta. Pesquisas mais recentes indicam que o próprio Sagitário A * já possui uma penumbra de milhares de buracos negros.
Peter - Restabelece Monica
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Para responder a isso, vejamos os próximos bilhões / trilhão / quadrilhão /? anos e tenha uma noção do tamanho de nossa galáxia e seu buraco negro central.

A primeira coisa que acontece relacionada à sua pergunta é que nossa galáxia e Andrômeda colidem e se fundem. Isso acontece em alguns bilhões de anos. Quando as galáxias se fundem, a galáxia combinada existe, mas pode ter uma forma diferente, buracos negros centrais mesclados e estrelas (ou, em alguns casos, até um ou ambos os buracos negros) podem ser lançados para fora da galáxia combinada. Mas a galáxia suportará, de uma forma ou de outra.

Isso ocorre porque uma galáxia não é mantida unida por seu buraco negro central.

Um senso de escala: massa

Em nossa galáxia, o centro de BH tem uma massa de cerca de 4 -4,5 milhões de sóis .

Uma parte maior são as estrelas, o gás e outras matérias bariônicas comuns (algumas centenas de bilhões de estrelas, embora muitas sejam anãs vermelhas e menores que o nosso sol). Estima-se que a matéria comum seja de cerca de 600 bilhões de sóis , ou cerca de 150.000 vezes a massa do buraco negro central.

Mas a maior parte é matéria escura. Explicada de forma simples, mesmo levando em consideração toda a massa acima, a galáxia ainda não seria grande o suficiente para girar. Os cálculos mostram que cerca de 85% de toda a matéria em nossa galáxia é "matéria escura" - um tipo de matéria que não é feita de átomos comuns, mas é suspeita de ser feita de partículas que não podem interagir muito, exceto pela gravidade (portanto não podemos detectá-lo através da radiação, não forma planetas, estrelas ou buracos negros, etc). A matéria escura seria de cerca de 3,5 trilhões de sóis , ou cerca de 850.000 vezes a massa do centro de BH.

Portanto, a massa total (matéria comum + matéria escura) é de cerca de 4 trilhões de sóis ou cerca de um milhão de vezes a massa do buraco negro central .

Uma sensação de escala: diâmetro

Considerando o tamanho, e não a massa, o BH central talvez seja o tamanho da órbita de Urano (cerca de 12 horas-luz de diâmetro ).

A galáxia visível tem cerca de 100.000 anos- luz de diâmetro , ou cerca de 70 milhões de vezes o tamanho de BH.

A extensão do halo da matéria escura é menos certa (e tem menos de uma borda definida), mas, dependendo de qual pesquisa é correta, pode se estender entre 500.000 e 1 milhão de anos-luz de diâmetro , ou algo nesse sentido (da memória), ou um pouco menos de meio bilhão de vezes o tamanho de BH.

Sumário

O BH central contém cerca de um milionésimo (0,0001%) da massa da galáxia e cerca de 2 bilionésimos (0,0000002%) de seu diâmetro.

Portanto, o buraco negro central é realmente, e estranhamente, quase insignificante em termos da estrutura atual de nossa galáxia. Pode ter sido crucial para a formação da galáxia, mas isso foi há muito, muito tempo. Não é a razão atual pela qual giramos, e não é a razão pela qual permanecemos em órbita galáctica. Se ele desaparecesse ou fosse expulso amanhã, nada mudaria, exceto por relativamente poucas estrelas no centro galáctico que orbitam diretamente a BH. Não estamos nem perto daqui. Estamos em um braço espiral.

Em resumo, se o BH central desaparecesse ou deixasse nossa galáxia, nós e nossos descendentes nunca perceberíamos, exceto por uma mudança nas emissões de raios-X daquela região (como detectada pelos radiotelescópios) e algumas muito fracas. estrelas nessa região se movendo de maneira ligeiramente diferente ao longo dos milênios. Isso é tudo.

Mas, como outras respostas explicam, um buraco negro leva um tempo imenso para evaporar; portanto, na realidade, duas coisas acontecerão:

  • Em uma escala de tempo de bilhões a trilhões de anos Em algum momento, a fusão da Via Láctea / Andrômeda (ou uma galáxia sucessora) manterá, fundirá ou ejetar sua BH central. Este evento não será um 'fim' para a galáxia ou as estrelas nelas, embora a galáxia combinada provavelmente não tenha uma forma espiral; galáxias mescladas são comuns. A galáxia combinada se acalmará e as coisas continuarão.

  • Em uma escala de tempo além da compreensão humana (quatrilhões sobre quatrilhões de anos) Se o nosso universo ainda existe em sua estrutura presente e o modelo padrão e cosmologia padrão são sobre a direita, o BH centro irá , eventualmente evaporar. Mas a galáxia (e todas as galáxias, e a maioria das matérias) terá se decomposto muito, muito, muito antes que isso possa acontecer.

Stilez
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Detalhe: A matéria bariônica da galáxia é ~ 150.000 vezes a massa de Sagitário A *, não 100.000.000. Não que isso mude muito ;-).
Peter - Restabelece Monica
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As fontes que encontrei foram que a massa comum era de cerca de 6 x 10 ^ 11 massas solares e Sagitário A * é de cerca de 4 a 5 milhões de massas solares. 6x10 ^ 11 / 4x10 ^ 6 = 1,5x10 ^ 5 ..... e, aparentemente, não posso fazer aritmética mental básica. Corrigido, obrigado!
Stilez 31/05/19
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Um buraco negro macroscópico não pode encolher desde que qualquer fonte de radiação (como outras galáxias) esteja à vista. A radiação Hawking é muito fraca; buracos negros são chamados de negros por uma razão. De fato, a radiação Hawking já é superada pela radiação cósmica de fundo de microondas sozinha para buracos negros mais pesados ​​que a lua. Isso é apenas uma função da temperatura: o fundo do universo tem uma temperatura de 2,72 K - para emitir mais radiação do que absorve, o buraco negro deve estar mais quente, o que requer uma massa menor que a da lua . Os buracos negros de massa solar têm uma temperatura baixa na ordem de magnitude 6E-8K. Isso significa que, mesmo na ausência de qualquer matéria que possa absorver e na ausência de qualquer fonte específica de radiação, um buraco negro maciço ainda cresceria, não encolheria.

No caso de Sagitário A *, há muita matéria e radiação ao redor, a saber, nossa galáxia, que acabará por cair no buraco negro, se não for perturbada por um tempo suficientemente longo. O enorme buraco negro super-duper resultante seria super-frio (em torno do E-19K, mais ou menos algumas ordens de magnitude) e poderia alimentar-se mesmo a partir de um fundo de microondas ainda mais frio por um longo tempo. Somente quando tudo foi absorvido ou desapareceu além do horizonte de eventos, ele pode começar a encolher. E como está muito, muito frio, encolherá muito, muito lentamente.

É mais provável que outros eventos precedam essa evaporação. Este artigo descreve como, no futuro distante - digamos, 100 bilhões de anos - a expansão acelerada do universo nos deixará presos na ilha gravitacional do nosso grupo local, porque todo o resto "se expande".

Em algum momento, os buracos negros nesta ilha terão absorvido toda a matéria circundante até restarem apenas os buracos negros em órbita. Eles acabarão caindo um no outro porque perdem energia cinética através de ondas gravitacionais. O cenário final é um único buraco negro gigante que gira enormemente rápido (dificultando as estimativas de temperatura). É concebível que em algum momento desse processo a radiação de fundo se torne mais fria que o (s) buraco (s) negro (s), de modo que os buracos negros cada vez mais maciços, finalmente, comecem a evaporar. Muito, muito, muito devagar.

Peter - Restabelecer Monica
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Talvez isso descreva o nascimento de outro universo? Obviamente, com menos massa do que o nosso universo "atual", que pode ter sido "nascido" da mesma forma - como uma ilha gravitacional de um universo mais cedo, e etc.
Bob Jarvis - Reintegrar Monica
@BobJarvis É compatível. Lee Smolin elaborou e popularizou uma idéia de John Wheeler e Bryce DeWitt em seu livro A Vida do Cosmos . A idéia básica é um multiverso cuja população diversificada de universos evolui ao longo do "tempo": alguns se reproduzem e outros menos bem equipados morrem, ou pelo menos não se reproduzem. A reprodução acontece através de buracos negros; qualquer universo cujas leis da natureza - especialmente o poder das várias forças - são tais que a matéria não se condensa para formar buracos negros são becos sem saída evolutivos. (Ctd.)
Peter - Reinstate Monica
... Esse argumento elegante fornece uma lógica subjacente à razão pela qual vivemos em um universo como o nosso: é o descendente de uma linha evolutiva capaz de produzir buracos negros e, assim, procriar. O argumento expande o princípio antrópico para um princípio "universal": o universo que observamos é do jeito que é, não apenas porque o modo como ele sustenta a vida inteligente, mas também porque o modo como ele sustenta os universos. Como um aparte, é também um paradigma holístico de Gaia (o ambiente de criação é uma entidade viva).
Peter - Restabelece Monica
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Suspeito que o CMB esfrie o suficiente para permitir que as SMBs evaporem ANTES de colesce devido à radiação gravitacional. Pelo menos, não é óbvio em que ordem esses eventos acontecem #
Steve Linton
@SteveLinton True ... Embora também seja uma corrida, porque enquanto a matéria cai (incluindo um ocasional buraco negro), a temperatura dos restantes buracos negros diminui significativamente. Quero dizer, o 1E-8 K já está bastante frio, e isso é apenas um buraco normal.
Peter - Restabelece Monica
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A evaporação dos buracos negros super maciços levará bilhões de anos e, assim, a atração gravitacional se enfraquecerá em um curso muito longo. Isso resultará na expansão da galáxia e todo o sistema de estrelas e gases se espalhará no universo. Mas a radiação Hawking é um processo muito lento, mesmo que seja possível que até esse momento todo o combustível das estrelas seja queimado (hidrogênio), resultando em escuridão total.

Abhishek Thawait
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-1. Isso está incorreto. Como observado em outras respostas, o tempo necessário para a evaporação dos buracos negros excede enormemente "bilhões de anos", e os buracos negros galácticos são uma fração relativamente pequena da massa da galáxia e não é o que mantém uma galáxia unida.
Chappo não esqueceu Monica
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@Chappo Nem mesmo mencionar que buracos negros macroscópicos não estão encolhendo em tudo e nunca, desde que nada está dentro do horizonte de eventos - a radiação Hawking é muito fraco para compensar a radiação absorvida do ambiente cósmico.
Peter - Restabelece Monica
De fato. Agradável para apoiar outro usuário SE que usa uma imagem Mandelbrot em seu ícone / avatar :-)
Chappo não se esqueceu Monica
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@Chappo True! Eles são uma metáfora em vários níveis, por assim dizer ;-). Por exemplo, não se esquivando de complicações de complicações
Peter - Reinstate Monica