La termodinámica de los agujeros negros es la rama de la astrofísica desarrollada a partir del descubrimiento de la analogía entre las leyes de la termodinámica y algunas de las propiedades de los agujeros negros. Estos estudios fueron emprendidos en los años 1970 por científicos como Stephen Hawking, quien a su vez planteó el fenómeno de la evaporación de los agujeros negros en 1975 por el cual un agujero negro no es un cuerpo absolutamente oscuro sino que podría emitir una cantidad débil de radiación térmica.
Analogía termodinámica de los agujeros negros
El estudio de los agujeros negros estableció el llamado teorema de ningún pelo que sostiene que es posible describir estos cuerpos celestes mediante únicamente tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica Q y su momento cinético L. En ausencia de momento cinético, un agujero negro es perfectamente esférico, pero si posee un momento cinético, adoptará una forma ligeramente achatada. Así, el parámetro que pertinentemente describe la estructura del agujero negro no es su radio, sino su superficie que ha de entenderse como la superficie del horizonte de sucesos que le caracteriza. Existirá por tanto una relación entre el área del agujero negro A a los tres parámetros establecidos por el teorema.
El principio cero de la mecánica es una consecuencia inmediata de las propiedades de la gravedad de superficie que es constante sobre toda la superficie del agujero negro. Esta propiedad puede resultar poco intuitiva ya que para un planeta en rotación, la intensidad del campo gravitacional es inferior en su ecuador que en los polos como consecuencia de la fuerza centrífuga. Como vemos, este efecto no se presenta en los agujeros negros donde más precisamente, la velocidad de divergencia de la intensidad del campo gravitacional al aproximarse a su superficie es constante.
El tercer principio de la mecánica de los agujeros negros estipula que no se puede alcanzar el estado de agujero negro extremo, la frontera entre un agujero negro y la singularidad desnuda. Una conclusión de ello, por ejemplo, es si se aumentara la carga eléctrica de un agujero negro podría contemplarse que desapareciese su horizonte. Sin embargo, la energía a aportar a las partículas cargadas que se deberían lanzar contra el agujero negro de igual carga devendría cada vez más grande a medida que nos aproximamos al estado extremo. Además, surgiría el fenómeno de creación de parejas de partículas-antipartículas que en su vecindad, el agujero negro tendrá tendencia a producir parejas entre las cuales, las que tengan carga opuesta al agujero, serán absorbidas por este, mientras que las opuestas serán repelidas.
James M. Bardeen (hijo del doble Premio Nobel de física John Bardeen), Brandon Carter y Stephen Hawking fueron los investigadores que formalizaron los principios de la termodinámica aplicada a los agujeros negros en 1973,dos años incluso del descubrimiento de la entropía de los agujeros negros por Hawking. Con anterioridad, una fórmula elegante que asociaría el conjunto de las cantidades termodinámicas fue establecida por Larry Smarr.En honor a su descubridor esta fórmula es conocida como fórmula de Smarr.
Interpretación estadística
Una de las cuestiones abiertas en el campo de la termodinámica de los agujeros negros es el de la interpretación de su entropía. Existe la posibilidad que una teoría de gravitación cuántica viable pudiera ofrecer una interpretación de la entropía asociada a los agujeros negros en términos de microestados. Aunque la teoría de las cuerdas permite una interpretación para algunas clases de agujeros negros extremos, para el resto su complejidad no permite ser descritos por esta misma teoría a un nivel cuántico. Igualmente, la gravedad cuántica de bucles propone una interpretación de la entropía pero únicamente para el tipo de agujero negro de Schwarzschild,ya que su razonamiento empleado no parece poder extenderse de manera coherente a otro tipo agujeros negros.
Perspectivas de desarrollo posterior
La aplicación de técnicas de termodinámica de los agujeros negros permite evidenciar todo un conjunto de ricos fenómenos en los agujeros negros. En particular, es posible calcular el calor específico de los agujeros negros.
