Mikro czarna dziura

Te mikro czarne dziury są maleńkie czarne dziury hipotetyczne, zwany także czarne dziury kwantowej lub mini czarne dziury , dla którego odnośne efekty mechaniki kwantowej są ważne.

Możliwe, że takie kwantowe czarne dziury powstały w bardzo gęstym środowisku wczesnego Wszechświata lub podczas późniejszych przejść fazowych: w tym przypadku mówimy o pierwotnych czarnych dziurach . Wkrótce mogą zostać wykryte przez astrofizyków, dzięki cząsteczkom, które powinny emitować przez promieniowanie Hawkinga .

Niektóre teorie dotyczące dodatkowych wymiarów przestrzeni przewidują, że mikro-czarne dziury mogą powstawać przy stosunkowo niskich energiach rzędu TeV (tera-elektron-wolt): jest to domena energii, która będzie dostępna dla akceleratorów cząstek, takich jak LHC ( Large Zderzacz Hadronów ). Relacje medialne na temat tej możliwości wywołały niepokój wśród ludności. Jednak wszelkie kwantowe czarne dziury, które mogłyby powstać, natychmiast wyparowałyby, całkowicie lub pozostawiając pozostałość, która oddziałuje bardzo słabo. Oprócz argumentów teoretycznych stwierdzono, że promienie kosmiczne, którymi Ziemia jest nieustannie bombardowana, nie spowodowały żadnego kataklizmu, chociaż ich energia w środku masy może osiągnąć setki TeV .

Minimalna masa czarnej dziury

Zasadniczo czarna dziura może mieć dowolną masę większą niż masa Plancka . Aby wytworzyć czarną dziurę, wystarczy skoncentrować wystarczającą masę lub energię w danym regionie, tak aby prędkość ucieczki z tego obszaru była większa niż prędkość światła . Ten warunek daje promień Schwarzschilda , gdzie G jest stałą Newtona, a c jest prędkością światła. Odpowiada to rozmiarowi czarnej dziury o masie M. Ponadto długość fali Comptona , gdzie h jest stałą Plancka , reprezentuje rozmiar najmniejszego regionu, w którym możemy zlokalizować spoczywającą masę M. Dla M wystarczająco słabego długość fali Comptona przekracza promień Schwarzschilda i niemożliwe jest utworzenie czarnej dziury. Minimalna masa czarną dziurę zatem tego samego rzędu wielkości co masy Plancka , . Jest to warte około 2 × 10-8 kg, czyli 1,2 × 10 16 TeV / c 2 .

Niektóre rozszerzenia współczesnej fizyki zakładają istnienie dodatkowych wymiarów przestrzeni . W tych warunkach siła grawitacji może rosnąć szybciej, gdy odległość maleje, niż w zwykłej reprezentacji przestrzeni trójwymiarowej. W przypadku niektórych konfiguracji dodatkowych wymiarów efekt ten może zredukować masę Plancka do skali TeV . Jeśli przewidywania tych modeli są prawdziwe, produkcja mikro czarnych dziur może być ważnym i możliwym do zaobserwowania efektem w LHC . Mówi się również, że jest to powszechne zjawisko naturalne spowodowane promieniowaniem kosmicznym .

Stabilność mikro czarnej dziury

Promieniowanie Hawkinga

1974, Stephen Hawking stwierdził, że kwantowe skutków powód czarnych dziur w celu odparowania przez emisję cząstek, takich jak fotony , elektrony , kwarkach , gluonami ,  etc.  ; mechanizm ten nazwano „promieniowaniem Hawkinga”. Jego obliczenia termodynamiki czarnej dziury pokazują, że im więcej materii emituje czarna dziura (a tym samym traci masę), tym bardziej rośnie jej temperatura, co stale zwiększa szybkość parowania, aż masa czarnej dziury osiągnie skalę masy Plancka . Odpowiada to stwierdzeniu, że im mniejsza czarna dziura, tym szybciej znika.

Przypuszczenia o stanie końcowym

Po osiągnięciu skali masy Plancka czarna dziura miałaby temperaturę T P / 8π (5,6 × 10 32 K), co oznacza, że ​​cząstka emitowana przez promieniowanie Hawkinga miałaby energię porównywalną z masą czarnej dziury. W tym momencie obróbka termodynamiczna nie jest już odpowiednia, a czarnej dziury nie można już opisać konwencjonalnie.

Ostatecznym losem czarnej dziury może być całkowite odparowanie lub powstanie szczątkowego obiektu, którego masa byłaby zbliżona do masy Plancka. Jeśli przypuszczenia dotyczące czarnych dziur kwantowych są poprawne, liczba możliwych stanów kwantowych w pobliżu masy Plancka byłaby tak mała, że ​​mikro czarna dziura praktycznie nie mogłaby już oddziaływać ze swoim otoczeniem. Możliwe jest również, że obiekty te nie mogą absorbować energii grawitacyjnej z powodu szerokich odstępów między ich dozwolonymi poziomami energii; nie mogli też emitować cząstek przez promieniowanie Hawkinga z tych samych powodów. Pozostałości mikro czarnych dziur byłyby wówczas stabilnymi obiektami. Może to być pochodzenie WIMP ( słabo oddziałujących masywnych cząstek ), hipotetycznych bardzo masywnych cząstek, które są trudne do wykrycia, których istnienie miało wyjaśniać ciemną materię .

Pierwotne czarne dziury

Formacja we wczesnym wszechświecie

Wytworzenie czarnej dziury wymaga koncentracji masy lub energii w odpowiednim promieniu Schwarzschilda . Uważa się, że wkrótce po Wielkim Wybuchu Wszechświat był na tyle gęsty, że mieścił się we własnym promieniu Schwarzschilda. Jednak szybkość jego ekspansji pozwoliłaby uniknąć upadku grawitacyjnego . Nie wyklucza to możliwości, że lokalnie powstały czarne dziury o różnych rozmiarach. Powstałe w ten sposób czarne dziury nazywane są pierwotnymi czarnymi dziurami . Jest to najpowszechniej akceptowana teoria dotycząca powstawania mikro czarnych dziur.

Oczekiwane obserwowalne efekty

Każda pierwotna czarna dziura o dostatecznie małej masie powinna wyparować pod wpływem promieniowania Hawkinga, aż osiągnie masę Plancka, w czasie życia Wszechświata. Tak więc pierwotne czarne dziury mające początkową masę około 10 12 kilogramów znajdowałyby się obecnie w końcowej fazie parowania (najlżejsza już odparowała). W optymalnych warunkach Kosmiczny Teleskop Fermiego dla astronomii gamma , który został wystrzelony wczerwiec 2008, może wykryć eksperymentalne dowody na istnienie i parowanie pierwotnych czarnych dziur, obserwując rozbłyski gamma związane z końcem ich życia.

Jest mało prawdopodobne, aby zderzenie mikro czarnej dziury z obiektem takim jak gwiazda lub planeta miało obserwowalne skutki. Dzieje się tak, ponieważ rozmiar tych czarnych dziur jest tak mały, że mogą przechodzić przez zwykłą materię złożoną z atomów , bez interakcji z więcej niż kilkoma z tych atomów.

Mikro czarne dziury stworzone przez ludzi

Czy możemy produkować mikro czarne dziury?

Jeśli grawitacja jest opisana w przestrzeni o zwykłych trzech wymiarach, minimalna energia wymagana do powstania mikroskopijnej czarnej dziury jest rzędu 10 16 TeV i musi być skoncentrowana w promieniu około 10 - 31  m  : co jest równe znacznie poza zasięgiem jakiejkolwiek obecnej technologii. Szacuje się, że aby osiągnąć te warunki podczas zderzenia cząstek, przy użyciu pól magnetycznych, które jesteśmy w stanie dzisiaj wytworzyć, potrzebny byłby akcelerator kołowy o średnicy 1000 lat świetlnych, aby utrzymać cząstki na ich drodze.

Jednak w przypadku niektórych teorii wykorzystujących dodatkowe wymiary masa Plancka może zostać zredukowana do skali TeV . Oczekuje się, że LHC ( Wielki Zderzacz Hadronów ) osiągnie energię 14 TeV . W związku z tym argumentowano, że wytwarzanie czarnych dziur kwantowych może być zjawiskiem obserwowanym w LHC lub w przyszłych akceleratorach osiągających wyższe energie. Takie czarne dziury rozpadałyby się emitując strumienie cząstek, które mogłyby zostać wychwycone przez detektory tych urządzeń. Po nieco ponad roku działania naukowcy pracujący nad CMS w LHC ogłosili, że nie odkryli żadnej sygnatury mikro-czarnej dziury.

Argumenty bezpieczeństwa

Obliczenia S. Hawkinga, a także bardziej ogólne argumenty oparte na mechanice kwantowej , przewidują, że mikro-czarne dziury utworzone w skali Plancka niemal natychmiast wyparują. Dalsze argumenty potwierdzające bezpieczeństwo zderzeń cząstek o wysokiej energii zostały przedstawione w artykule SB Giddingsa i ML Mangano (patrz także ME Peskin): który pokazuje, że w hipotetycznych scenariuszach, w których stabilne mikro-czarne dziury mogą spowodować uszkodzenia Ziemi, takie czarne dziury zostałyby już wytworzone przez promienie kosmiczne i spowodowałyby zniszczenie obiektów astronomicznych, takich jak Ziemia, Słońce, gwiazdy neutronowe czy białe karły .

Uwagi

  1. B.J. Carr i SB Giddings, „Kwantowe czarne dziury”, Scientific American 292N5 (2005) 30.
  2. S.W. Hawking, Commun. Matematyka. Fiz. 43 (1975) 199 „  http://www.slac.stanford.edu/spires/find/hep/www?key=165336  ” ( Archiwum • Wikiwix • Archive.is • Google • Co robić? )
  3. „Pierwotne czarne dziury jako źródło niezwykle wysokoenergetycznych promieni kosmicznych”, A. Barrau, Astroparticle Physics tom 12, wydanie 4, styczeń 2000, strony 269-275; „Satelita może otworzyć drzwi do dodatkowego wymiaru”, M. McKee, 30 maja 2006, New Scientist
  4. Kosmiczny Teleskop Fermi Gamma: Wykrywanie czarnych dziur „mini”
  5. IB Khriplovich, AA Pomeransky, N. Produkt i G. Yu. Ruban, Czy można wykryć przejście małej czarnej dziury przez Ziemię? , wydruk wstępny
  6. IB Khriplovich, AA Pomeransky, N. Produkt i G. Yu. Ruban, Przejście małej czarnej dziury przez Ziemię. Czy to jest wykrywalne? , wydruk wstępny
  7. Fraser Cain, Czy mikroskopijne czarne dziury brzęczą w ziemi?, [1]
  8. . Promień Schwarzschilda o 10 15 gram czarną dziurę około 148 fm (femtometers lub 148 x 10 -15 M), który jest znacznie mniejszy od atomu, lecz większa niż jądra atomowego.
  9. S.B. Giddings i SD Thomas, „Wysokoenergetyczne zderzacze jako fabryki czarnych dziur: koniec fizyki bliskiego zasięgu”, arXiv: hep-ph / 0106219 , Phys. Obrót silnika. D65: 056010 (2002) .
  10. S. Dimopoulos i GL Landsberg, „Czarne dziury w LHC”, arXiv: hep-ph / 0106295 , Phys. Obrót silnika. Łotysz. 87: 161602 (2001)
  11. „  Kurier CERN - Skrzynia na mini czarne dziury. Listopad 2004  »
  12. Biuletyn American Institute of Physics of Physics News, numer 558, 26 września 2001, autor: Phillip F. Schewe, Ben Stein i James Riordon
  13. Współpraca z CMS, Search for Microscopic Black Hole Signatures at the Large Hadron Collider , arxiv.org, 15 grudnia 2010
  14. SB Giddings i ML Mangano, „Astrofizyczne implikacje hipotetycznych stabilnych czarnych dziur w skali TeV”, arXiv: 0806.3381 , Phys. Obrót silnika. D78: 035009, 2008
  15. ME Peskin, „Koniec świata przy Wielkim Zderzaczu Hadronów?” Fizyka 1, 14 (2008)

Bibliografia

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">