Почему черные дыры очень холодные?

Только в соответствии с общей теорией относительности (ОТО) горизонт событий черной дыры (ЧД) является точкой невозврата — все, что проходит через горизонт событий, теряется и исчезает навсегда, и ничего не выходит наружу. Следовательно, только при ОТО ЧД совершенно черные и вообще не имеют температуры.

Вот почему поглощение излучения (или чего-то еще) ЧД не повышает ее температуру — она просто поглощается и теряется. (Масса, угловой момент и заряд остаются, но это все — см . Теорему об отсутствии волос .)

(Примечание: аккреционный диск , окружающий ЧД, действительно может быть очень горячим, но это совсем другое дело.)

Стивен Хокинг обнаружил, что применение квантовой механики к ЧД показало, что ЧД испускают случайный поток излучения, и что это излучение было именно тем, что излучало бы черное тело — излучением черного тела . Это называется излучением Хокинга .

Излучение черного тела — это просто тепловое излучение идеального поглотителя излучения, что приводит к неизбежному выводу о том, что ЧД действительно имеет ненулевую температуру. Интересно, что анализ Хокинга показал, что эффективная температура ЧД обратно пропорциональна ее массе и что ЧД солнечной массы (наименьшие из тех, для которых у нас есть фактические данные) будут иметь температуру около 0,00000006 К. Немного холодно, но все же не ноль.

Обратите внимание, что неинтуитивно ЧД солнечной массы становится холоднее по мере поглощения радиации. Потому что любое излучение (или что-либо еще), которое она поглощает, увеличивает ее массу, а поскольку ЧД с большей массой холоднее, чем больше энергии вы вкладываете в одну, тем холоднее она становится!

Вы уже получили несколько очень хороших ответов. Я просто хочу отметить это:

«Температура» черной дыры больше похожа на «способ выражения». Это не температура в обычном понимании.

Существует процесс, называемый излучением Хокинга, когда вакуум вблизи черной дыры создает поток частиц, заимствуя энергию гравитации черной дыры для создания этих частиц, и поэтому создается впечатление, что черная дыра «испускает» излучение. Поскольку это излучение, теоретически вы можете измерить его температуру. Но это всего лишь температура излучения Хокинга.

Очевидно, нельзя воткнуть термометр в черную дыру.

Черные дыры поглощают любую форму энергии, даже свет. Поглощение энергии должно повышать ее температуру, но она все равно очень холодная, почему?

Из-за бесконечного гравитационного замедления времени. Важно понимать, что температура является мерой движения. В горячем газе молекулы в среднем движутся быстрее, чем в холодном газе. См. статью о температуре в Википедии и обратите внимание на это: «Самая холодная теоретическая температура — это абсолютный нуль, при котором тепловое движение всех элементарных частиц в материи достигает минимума» . Гравитационное замедление времени означает, что все движется медленнее. Когда гравитационное замедление времени бесконечно, вещи вообще не движутся. Вот почему черная дыра изначально была известна как застывшая звезда.

Стивен Хокинг написал статью в 1972 году вместе с Брэндоном Картером и Джимом Бардином, в которой они сказали: «Однако следует подчеркнуть, что κ/8π и A отличаются от температуры и энтропии черной дыры. На самом деле эффективная температура черной дыры равна абсолютный ноль» .

Роберт Уолд говорил почти то же самое о физике черных дыр . На странице 69 он сказал в классической физике черных дыр , что «κ не имеет ничего общего с физической температурой черной дыры, которая равна абсолютному нулю по любым разумным критериям» .

Говорят, что черная дыра имеет эффективную температуру благодаря излучению Хокинга, но, как сказал Фрейзер Кейн, она очень низкая. И, как сказал Марк, «только при GR ЧД совершенно черные и вообще не имеют температуры» . Что еще более важно, говорят, что излучение Хокинга исходит из-за пределов горизонта событий. Так что на самом деле это не температура черной дыры. Точно так же, как «аккреционный диск, окружающий ЧД, действительно может быть очень горячим» , но на самом деле это не температура черной дыры.

Черные дыры излучают, см. излучение Хокинга. И чем больше вещества они поглощают, тем холоднее становятся.

Чтобы черная дыра испарилась, энергия должна полностью уйти из ее потенциальной ямы. Проведем довольно грубую аналогию: если мы запустим ракету с поверхности Земли, то ниже скорости убегания ракета в конечном итоге упадет назад. Ракета должна иметь скорость, превышающую скорость убегания, чтобы полностью покинуть Землю.

Когда мы рассматриваем черную дыру, мы учитываем не скорость убегания, а гравитационное красное смещение. Красное смещение уменьшает энергию любого уходящего излучения, поэтому оно уменьшает энергию любого излучения, испускаемого более горячим состоянием вакуума вблизи горизонта событий. Если красное смещение бесконечно, то испускаемое излучение сводится к красному смещению, и в этом случае не будет никакого излучения Хокинга. Если красное смещение остается конечным, то испускаемое излучение по-прежнему имеет ненулевую энергию по мере приближения к пространственной бесконечности. В этом случае некоторая часть энергии уходит из черной дыры, и это то, что мы называем излучением Хокинга. Эта энергия исходит в конечном счете из энергии массы черной дыры, поэтому масса/энергия черной дыры уменьшается на количество или излучение, которое вырвалось. Можно устроить реакцию с выделением тепла внутри горизонта событий черной дыры. Например, я могу сбросить два холодных блока материи по траекториям так, чтобы они столкнулись внутри горизонта, выделяя тепло. В этом отношении в пространстве-времени внутри горизонта нет ничего особенного, за исключением того, что тепло от столкновения не будет видно внешним наблюдателям из-за горизонта. Что необычно в этой области, так это то, что через короткое время (как это ощущают объекты) они — и тепловые излучения — столкнутся с сингулярностью, и на данный момент у нас нет теории, описывающей происходящее. Поскольку топология области такова, что сингулярность больше похожа на точку во времени, чем на место в пространстве, во внутреннем пространстве также нет ни остаточного тепла, ни ощущения температуры сингулярности.

Горизонты событий не заботятся о том, являются ли вещи, пересекающие их, энергией или материей. Причины возникновения аккреционных дисков и джетов различны: формируются нечерные дырные объекты, такие как звезды, и нейтронные звезды тоже имеют диски и джеты. По сути, диски возникают из-за того, что материя взаимодействует и медленно теряет угловой момент и потенциальную энергию посредством турбулентных взаимодействий, а джеты возникают из-за того, что возникающая в результате плазма создает сильные магнитные поля и блокирует излучение в экваториальном направлении.

Я взял ссылку из какого-то ответа, например. Джон Ренни. https://physics.stackexchange.com/questions/251385/an-explanation-of-hawking-radiation/252236#252236

И Андерса Сандберга

https://physics.stackexchange.com/questions/476882/может ли-там-быть-температура-внутри-массивной-черной-дыры/476896#476896