¿Por qué los agujeros negros son extremadamente fríos?

"Los agujeros negros más masivos del Universo, los agujeros negros supermasivos con millones de veces las matemáticas [sic] del Sol tendrán una temperatura de 1.4 x $10^{-14}$Kelvin Eso es bajo. Casi cero absoluto, pero no del todo. Un agujero negro de masa solar podría tener una temperatura de solo 0.00000006 Kelvin ".

5 de septiembre de 2016 por Fraser Cain, Universe Today

Los agujeros negros absorben todas las formas de energía, incluso la luz. La absorción de energía debería elevar su temperatura pero aun así hace mucho frío, ¿por qué?

Solo bajo la Relatividad General (GR), el horizonte de eventos de un Agujero Negro (BH) es un punto sin retorno: todo lo que pasa a través del horizonte de eventos se pierde y desaparece para siempre, y nada sale. Por lo tanto, solo bajo GR, los BH son completamente negros y no tienen temperatura en absoluto.

Esta es la razón por la cual la absorción de radiación (o cualquier otra cosa) por un BH no eleva su temperatura, simplemente se traga y se pierde. (Su masa, el momento angular y la carga permanecen, pero eso es todo, vea el Teorema de sin pelo ).

(Nota: el disco de acreción que rodea un BH puede estar muy caliente, pero eso es algo completamente diferente).

Stephen Hawking descubrió que la aplicación de la mecánica cuántica a la BH BH mostraron que se emita un spray aleatoria de la radiación, y que la radiación que era precisamente lo que un cuerpo negro emitiría - la radiación del cuerpo negro . Esto se llama radiación de Hawking .

La radiación del cuerpo negro es simplemente la emisión térmica de un absorbente perfecto de la radiación, y lleva a la ineludible conclusión de que una BH lo hace tener una temperatura que no sea cero. Curiosamente, el análisis de Hawking mostró que la temperatura efectiva del BH es inversamente proporcional a su masa y que los BH de masa solar (que son los más pequeños para los que tenemos evidencia real) tendrían una temperatura de aproximadamente 0.00000006 K. Un poco frío, pero aún así no cero

Tenga en cuenta que, intuitivamente, una masa solar BH se enfría al absorber la radiación. Debido a que cualquier radiación (o cualquier otra cosa) que absorba aumenta su masa, y dado que los BH de mayor masa son más fríos, ¡cuanta más energía arroje a uno, más frío se vuelve!

Ya tienes algunas respuestas muy buenas. Solo quiero señalar esto:

La "temperatura" de un agujero negro es más como "una forma de hablar". No es la temperatura como se entiende normalmente.

Existe este proceso llamado radiación de Hawking, donde el vacío cerca de un agujero negro produce una corriente de partículas, tomando prestada energía de la gravedad del agujero negro para crear esas partículas, por lo que parece que el agujero negro "emite" radiación. Como esto es radiación, en teoría podrías medir su temperatura. Pero esa es solo la temperatura de la radiación de Hawking.

Obviamente no podrías meter un termómetro en un agujero negro.

Los agujeros negros absorben todas las formas de energía, incluso la luz. La absorción de energía debería elevar su temperatura pero aun así hace mucho frío, ¿por qué?

Debido a la dilatación infinita del tiempo gravitacional. Lo que hay que entender es que la temperatura es una medida de movimiento. Un gas caliente es aquel donde las moléculas se mueven, en promedio, más rápido que en un gas frío. Vea el artículo de temperatura de Wikipedia y tenga en cuenta esto: "La temperatura teórica más fría es el cero absoluto, en el cual el movimiento térmico de todas las partículas fundamentales en la materia alcanza un mínimo" . La dilatación del tiempo gravitacional significa que las cosas se mueven más lentamente. Cuando la dilatación del tiempo gravitacional es infinita, las cosas no se mueven en absoluto. Es por eso que el agujero negro se conocía originalmente como la estrella congelada.

Stephen Hawking escribió un artículo en 1972 con Brandon Carter y Jim Bardeen donde dijeron "Sin embargo, debe enfatizarse que κ / 8π y A son distintos de la temperatura y la entropía del agujero negro. De hecho, la temperatura efectiva de un agujero negro es cero absoluto " .

Robert Wald dijo lo mismo en física de agujeros negros . En la página 69, dijo en la física clásica de los agujeros negros "κ no tiene nada que ver con la temperatura física de un agujero negro, que es cero absoluto por cualquier criterio razonable" .

Se dice que el agujero negro tiene una temperatura efectiva en virtud de la radiación de Hawking, pero como dijo Fraser Cain, es muy bajo. Y como dijo Mark, "solo bajo GR, los BH son completamente negros y no tienen temperatura en absoluto" . Más importante aún, se dice que la radiación de Hawking se emite desde fuera del horizonte de eventos. Entonces, en realidad no es la temperatura del agujero negro. Así como "el disco de acreción que rodea a un BH puede estar muy caliente", pero en realidad no es la temperatura del agujero negro.

Los agujeros negros irradian, vea la radiación de Hawking. Y cuanto más materia absorben, más frío se vuelven

Para que un agujero negro se evapore, la energía tiene que escapar completamente de su pozo potencial. Para hacer una analogía bastante cruda, si disparamos un cohete desde la superficie de la Tierra, entonces por debajo de la velocidad de escape, el cohete eventualmente retrocederá. El cohete tiene que tener una velocidad mayor que la velocidad de escape para escapar completamente de la Tierra.

Cuando consideramos un agujero negro, en lugar de la velocidad de escape, consideramos el desplazamiento rojo gravitacional. El desplazamiento hacia el rojo reduce la energía de cualquier radiación saliente, por lo que reduce la energía de cualquier radiación emitida por el estado de vacío más caliente cerca del horizonte de eventos. Si el desplazamiento hacia el rojo es infinito, la radiación emitida se desvía hacia el rojo y, en este caso, no habrá radiación de Hawking. Si el desplazamiento hacia el rojo sigue siendo finito, la radiación emitida aún tiene una energía distinta de cero cuando se acerca al infinito espacial. En este caso, parte de la energía se escapa del agujero negro, y esto es lo que llamamos la radiación de Hawking. Esta energía proviene en última instancia de la energía de masa del agujero negro, por lo que la masa / energía del agujero negro se reduce por la cantidad o radiación que ha escapado. Se puede organizar una reacción que produzca calor dentro del horizonte de eventos de un agujero negro. Por ejemplo, puedo dejar caer dos bloques fríos de materia en trayectorias para que choquen dentro del horizonte, produciendo calor. No hay nada especial sobre el espacio-tiempo dentro del horizonte a este respecto, excepto que el calor de la colisión no será visto por observadores externos debido al horizonte. Lo inusual de esta región es que en poco tiempo (como lo experimentan los objetos) ellos, y las emisiones de calor, encontrarán la singularidad y en este punto no tenemos una teoría que describa lo que sucede. Dado que la topología de la región es tal que la singularidad se parece más a un punto en el tiempo que a un lugar en el espacio, tampoco hay calor persistente en el espacio interior ni sensación de temperatura de la singularidad.

A los horizontes de eventos no les importa si las cosas que los cruzan son energía o materia. Las razones de los discos de acreción y los chorros son diferentes: los objetos que no forman un agujero negro, como las estrellas que se forman, y las estrellas de neutrones también tienen discos y chorros. Básicamente, los discos ocurren porque la materia está interactuando y elimina lentamente el momento angular y la energía potencial a través de interacciones turbulentas, y los chorros ocurren porque el plasma resultante produce fuertes campos magnéticos y bloquea la radiación en la dirección ecuatorial.

He tomado referencia de alguna respuesta como. John Rennie. /physics/251385/an-explanation-of-hawking-radiation/252236#252236

Y de Anders Sandberg

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