Mikro czarna dziura

Mikroczarne dziury , zwane także mini czarnymi dziurami lub czarnymi dziurami z mechaniki kwantowej , to hipotetyczne małe (<1 M ☉ ) czarne dziury , w przypadku których efekty mechaniki kwantowej odgrywają ważną rolę. Koncepcja, że ​​mogą istnieć czarne dziury o masie mniejszej niż masa gwiazdy, została wprowadzona w 1971 roku przez Stephena Hawkinga .

Możliwe, że takie czarne dziury powstały w gęstym środowisku wczesnego Wszechświata (lub Wielkiego Wybuchu ) lub być może w wyniku kolejnych przejść fazowych (nazywanych pierwotnymi czarnymi dziurami ). Mogą być obserwowane przez astrofizyków poprzez cząstki, które mają emitować przez promieniowanie Hawkinga .

Niektóre hipotezy dotyczące dodatkowych wymiarów przestrzennych przewidują, że mikroczarne dziury mogą powstawać przy energiach tak niskich jak zakres TeV , które są dostępne w akceleratorach cząstek , takich jak Wielki Zderzacz Hadronów . Następnie podniesiono popularne obawy dotyczące scenariuszy końca świata (patrz Bezpieczeństwo zderzeń cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów ). Jednak takie kwantowe czarne dziury natychmiast wyparowałyby, całkowicie lub pozostawiając jedynie bardzo słabo oddziałującą pozostałość. [ potrzebne źródło ] Poza argumentami teoretycznymi, promienie kosmiczne uderzające w Ziemię nie wyrządzają żadnych szkód, chociaż osiągają energie rzędu setek TeV .

Minimalna masa czarnej dziury

We wczesnych spekulacjach Stephen Hawking przypuszczał , 10-8,0 kg że czarna dziura nie utworzy się z masą poniżej około (mniej więcej masa Plancka ). Aby stworzyć czarną dziurę, należy skoncentrować masę lub energię na tyle, aby prędkość ucieczki z obszaru, w którym jest skoncentrowana, przekroczyła prędkość światła .

Niektóre rozszerzenia współczesnej fizyki zakładają istnienie dodatkowych wymiarów przestrzeni. W wielowymiarowej czasoprzestrzeni siła grawitacji rośnie szybciej wraz ze zmniejszaniem się odległości niż w trzech wymiarach. Przy pewnych specjalnych konfiguracjach dodatkowych wymiarów efekt ten może obniżyć skalę Plancka do zakresu TeV. Przykłady takich rozszerzeń obejmują duże dodatkowe wymiary , specjalne przypadki modelu Randalla-Sundruma oraz konfiguracje teorii strun , takie jak rozwiązania GKP. W takich scenariuszach produkcja czarnych dziur mogłaby być ważnym i obserwowalnym efektem na Ziemi Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Byłoby to również powszechnym zjawiskiem naturalnym wywołanym przez promieniowanie kosmiczne .

Wszystko to zakłada, że ​​ogólna teoria względności pozostaje aktualna na tak małych odległościach. Jeśli tak się nie stanie, to inne, obecnie nieznane efekty mogą ograniczać minimalny rozmiar czarnej dziury. Cząstki elementarne są wyposażone w kwantowo-mechaniczny, wewnętrzny moment pędu ( spin ). Prawidłowe prawo zachowania dla całkowitego (orbitalnego i spinowego) momentu pędu materii w zakrzywionej czasoprzestrzeni wymaga, aby czasoprzestrzeń była wyposażona w skręcanie . Najprostszą i najbardziej naturalną teorią grawitacji ze skręcaniem jest teoria Einsteina-Cartana . Skręcanie modyfikuje Równanie Diraca w obecności pola grawitacyjnego i powoduje przestrzenne wydłużenie cząstek fermionu . W tym przypadku przestrzenna rozpiętość fermionów ogranicza minimalną masę czarnej dziury do rzędu 10 16 kg , pokazując, że mikro czarne dziury mogą nie istnieć. Energia potrzebna do wytworzenia takiej czarnej dziury jest o 39 rzędów wielkości większa niż energia dostępna w Wielkim Zderzaczu Hadronów, co wskazuje, że LHC nie może wytworzyć mini czarnych dziur. Ale jeśli powstają czarne dziury, to ogólna teoria względności okazuje się błędna i nie istnieje w tak małych odległościach. Zasady ogólnej teorii względności zostałyby złamane, co jest zgodne z teoriami dotyczącymi rozpadu materii, przestrzeni i czasu wokół horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Dowodziłoby to, że przestrzenne rozszerzenia granic fermionowych również są nieprawidłowe. Granice fermionów zakładają minimalną masę potrzebną do utrzymania czarnej dziury, w przeciwieństwie do przeciwnej, minimalną masę potrzebną do zapoczątkowania czarnej dziury, co teoretycznie jest osiągalne w LHC w pewnych warunkach.

Stabilność

Promieniowanie Hawkinga

Główny artykuł: Promieniowanie Hawkinga

W 1975 roku Stephen Hawking argumentował, że z powodu efektów kwantowych czarne dziury „odparowują” w procesie określanym obecnie jako promieniowanie Hawkinga , w którym emitowane są cząstki elementarne (takie jak fotony , elektrony , kwarki i gluony ). Jego obliczenia wykazały, że im mniejszy rozmiar czarnej dziury, tym szybsze tempo parowania, co skutkuje nagłym wybuchem cząstek, gdy mikroczarna dziura nagle eksploduje.

Każda pierwotna czarna dziura o wystarczająco małej masie wyparuje w ciągu życia Wszechświata do masy zbliżonej do masy Plancka . W tym procesie te małe czarne dziury emitują materię. Zgrubny obraz tego jest taki, że pary wirtualnych cząstek wyłaniają się z próżni w pobliżu horyzontu zdarzeń , przy czym jeden członek pary zostaje przechwycony, a drugi ucieka z sąsiedztwa czarnej dziury. Wynik netto jest taki, że czarna dziura traci masę (ze względu na zachowanie energii ). Zgodnie ze wzorami termodynamiki czarnych dziur   , im bardziej czarna dziura traci masę, tym staje się gorętsza i tym szybciej paruje, aż zbliży się do masy Plancka. Na tym etapie czarna dziura miałaby temperaturę Hawkinga T P / 8π ( 5,6 × 10 32 K ) , co oznacza, że ​​emitowana cząstka Hawkinga miałaby energię porównywalną z masą czarnej dziury. W ten sposób załamuje się opis termodynamiczny. Taka mikroczarna dziura miałaby również entropię wynoszącą tylko 4 π nat , w przybliżeniu minimalną możliwą wartość. W tym momencie obiekt nie może być już opisany jako klasyczna czarna dziura, a obliczenia Hawkinga również się zawodzą.

Podczas gdy czasami kwestionuje się promieniowanie Hawkinga, Leonard Susskind podsumowuje punkt widzenia eksperta w swojej książce The Black Hole War : „Co jakiś czas pojawia się artykuł dotyczący fizyki twierdzący, że czarne dziury nie wyparowują. Takie artykuły szybko znikają w nieskończonej stercie śmieci skrajne pomysły”.

Przypuszczenia dotyczące stanu końcowego

Przypuszczenia dotyczące ostatecznego losu czarnej dziury obejmują całkowite odparowanie i powstanie pozostałości po czarnej dziurze wielkości masy Plancka . Takie czarne dziury o masie Plancka mogą w rzeczywistości być stabilnymi obiektami, jeśli skwantyzowane przerwy między ich dozwolonymi poziomami energii uniemożliwiają im emitowanie cząstek Hawkinga lub pochłanianie energii grawitacyjnie, jak klasyczna czarna dziura. W takim przypadku byłyby to słabo oddziałujące masywne cząstki ; to może wyjaśniać ciemną materię .

Pierwotne czarne dziury

Główny artykuł: Pierwotna czarna dziura

Formacja we wczesnym Wszechświecie

Produkcja czarnej dziury wymaga koncentracji masy lub energii w odpowiednim promieniu Schwarzschilda . Zel'dovich i Novikov wysunęli hipotezę najpierw i niezależnie od Hawkinga, że ​​wkrótce po Wielkim Wybuchu Wszechświat był wystarczająco gęsty, aby dowolny obszar przestrzeni zmieścił się w jego własnym promieniu Schwarzschilda. Mimo to w tamtym czasie Wszechświat nie był w stanie zapaść się w osobliwość ze względu na równomierny rozkład masy i szybki wzrost. Nie wyklucza to jednak całkowicie możliwości pojawienia się lokalnie czarnych dziur o różnych rozmiarach. Utworzona w ten sposób czarna dziura nazywana jest pierwotną czarną dziurą i jest najszerzej akceptowaną hipotezą dotyczącą możliwego powstania mikroczarnych dziur. Symulacje komputerowe sugerują, że prawdopodobieństwo powstania pierwotnej czarnej dziury jest odwrotnie proporcjonalne do jej masy. Tak więc najbardziej prawdopodobnym rezultatem byłyby mikro czarne dziury. [ potrzebne źródło ]

Oczekiwane obserwowalne efekty

Pierwotna czarna dziura o początkowej masie około 10 12 kg kończyłaby dzisiaj parowanie; mniej masywna pierwotna czarna dziura już by wyparowała. W optymalnych warunkach Fermi Gamma-ray Space Telescope , wystrzelony w czerwcu 2008 roku, może wykryć eksperymentalne dowody na parowanie pobliskich czarnych dziur poprzez obserwację rozbłysków promieniowania gamma . Jest mało prawdopodobne, aby zderzenie mikroskopijnej czarnej dziury z obiektem takim jak gwiazda lub planeta byłoby zauważalne. Mały promień i duża gęstość czarnej dziury pozwoliłyby jej przejść prosto przez dowolny obiekt składający się z normalnych atomów, oddziałując przy tym tylko z kilkoma atomami. Sugerowano jednak, że mała czarna dziura o wystarczającej masie przechodząca przez Ziemię wytworzyłaby wykrywalny sygnał akustyczny lub sejsmiczny . Na Księżycu może pozostawić wyraźny rodzaj krateru, wciąż widoczny po miliardach lat.

Mikro czarne dziury stworzone przez człowieka

Opłacalność produkcji

Dalsze informacje: Kugelblitz (astrofizyka)

W znanej trójwymiarowej grawitacji minimalna energia mikroskopijnej czarnej dziury wynosi   10 16 TeV (co odpowiada 1,6 GJ lub 444 kWh ), co musiałoby być skondensowane w obszarze rzędu długości Plancka . To znacznie wykracza poza granice jakiejkolwiek obecnej technologii. Szacuje się [ potrzebne źródło ] , że zderzenie dwóch cząstek na odległość równą długości Plancka przy obecnie osiągalnym natężeniu pola magnetycznego wymagałoby akceleratora pierścieniowego około 1000 lat świetlnych średnicy, aby utrzymać cząsteczki na torze.

Jednak w niektórych scenariuszach obejmujących dodatkowe wymiary przestrzeni masa Plancka może być tak niska, jak zakres TeV . Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) ma energię projektową 14 TeV dla zderzeń proton -proton i 1150 TeV dla zderzeń Pb -Pb. W 2001 roku argumentowano, że w tych okolicznościach produkcja czarnych dziur może być ważnym i obserwowalnym efektem w LHC lub przyszłych zderzaczach o wyższej energii. Takie kwantowe czarne dziury powinny się rozpadać, emitując rozpryski cząstek, które mogą być widoczne przez detektory w tych obiektach. Artykuł Choptuika i Pretoriusa, opublikowany w 2010 r Physical Review Letters przedstawił wygenerowany komputerowo dowód, że mikroczarne dziury muszą powstać z dwóch zderzających się cząstek o wystarczającej energii, co może być dopuszczalne przy energiach LHC, jeśli obecne są dodatkowe wymiary inne niż zwyczajowe cztery ( trzy przestrzenne, jeden czasowy ).

Argumenty dotyczące bezpieczeństwa

Główny artykuł: Bezpieczeństwo eksperymentów zderzeń cząstek o wysokiej energii

Obliczenia Hawkinga i bardziej ogólne argumenty mechaniki kwantowej przewidują, że mikroczarne dziury odparowują niemal natychmiast. W artykule podano dodatkowe argumenty bezpieczeństwa wykraczające poza te oparte na promieniowaniu Hawkinga, które wykazały, że w hipotetycznych scenariuszach ze stabilnymi mikroczarnymi dziurami o masie wystarczającej do zniszczenia Ziemi, takie czarne dziury zostałyby wyprodukowane przez promieniowanie kosmiczne i prawdopodobnie zniszczyłyby już obiekty astronomiczne takich jak planety, gwiazdy lub gwiezdne pozostałości, takie jak gwiazdy neutronowe i białe karły .

Czarne dziury w kwantowych teoriach grawitacji

grawitacji kwantowej możliwe jest obliczenie poprawek kwantowych do zwykłych, klasycznych czarnych dziur. W przeciwieństwie do konwencjonalnych czarnych dziur, które są rozwiązaniami równań pola grawitacyjnego ogólnej teorii względności , czarne dziury z grawitacją kwantową zawierają efekty grawitacji kwantowej w pobliżu początku, gdzie klasycznie występuje osobliwość krzywizny. Zgodnie z teorią zastosowaną do modelowania efektów grawitacji kwantowej, istnieją różne rodzaje czarnych dziur grawitacji kwantowej, a mianowicie pętlowe czarne dziury, nieprzemienne czarne dziury i asymptotycznie bezpieczne czarne dziury. W tych podejściach czarne dziury są wolne od osobliwości. [ potrzebne źródło ]

Wirtualne mikroczarne dziury zostały zaproponowane przez Stephena Hawkinga w 1995 r. i Fabio Scardigli w 1999 r. jako część teorii wielkiej unifikacji jako kandydat na grawitację kwantową .

Zobacz też

Notatki

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Micro_black_hole&oldid=1142452493 ”