Mikro černá díra

Tyto mikro černé díry jsou malé černé díry hypotetické, nazývaný také černé díry quantum nebo mini černé díry , u nichž související účinky kvantové mechaniky jsou důležité.

Je možné, že takové kvantové černé díry byly vytvořeny ve velmi hustém prostředí raného vesmíru nebo během pozdějších fázových přechodů: v tomto případě mluvíme o prvotních černých dírách . Astrofyzici je mohli brzy detekovat díky částicím, které by měli emitovat Hawkingovým zářením .

Některé teorie zahrnující další vesmírné dimenze předpovídají, že mikro černé díry by mohly vznikat při relativně nízkých energiích řádu TeV (tera-elektron-volt): jedná se o energetickou doménu, která bude přístupná urychlovačům částic, jako je LHC ( Large Hadron Collider ). Mediální pokrytí této možnosti vyvolalo u populace znepokojení. Jakékoli kvantové černé díry, které by mohly být vytvořeny, by se okamžitě vypařily, buď úplně, nebo by zanechaly zbytek, který interaguje jen velmi slabě. Kromě teoretických argumentů se zjistilo, že kosmické paprsky, kterými je Země nepřetržitě bombardována, neprodukovaly žádnou kataklyzma, i když jejich energie ve středu hmoty může dosáhnout stovek TeV .

Minimální hmotnost černé díry

V zásadě může mít černá díra jakoukoli hmotu větší než Planckova hmotnost . K vytvoření černé díry stačí soustředit dostatek hmoty nebo energie v dané oblasti, takže úniková rychlost této oblasti je větší než rychlost světla . Tato podmínka udává poloměr Schwarzschilda , kde G je Newtonova konstanta a c je rychlost světla. To odpovídá velikosti černé díry o hmotnosti M. Navíc Comptonova vlnová délka , kde h je Planckova konstanta , představuje velikost nejmenší oblasti, kde můžeme lokalizovat hmotu M spočívající. Pro M dostatečně slabé překračuje Comptonova vlnová délka poloměr Schwarzschildova a není možné vytvořit černou díru. Minimální hmotnost černé díry je tedy stejného řádu jako o hmotnosti Planckova , . To má hodnotu asi 2 × 10–8 kg nebo 1,2 × 10 16 TeV / c 2 .

Některá rozšíření současné fyziky předpokládají existenci dalších prostorových dimenzí . Za těchto podmínek může gravitační síla narůstat rychleji, jak se vzdálenost zmenšuje, než v obvyklém znázornění trojrozměrného prostoru. U některých konfigurací dalších dimenzí může tento efekt snížit Planckovu hmotnost až na měřítko TeV . Pokud jsou předpovědi těchto modelů pravdivé, mohla by být produkce mikro černých děr důležitým a pozorovatelným efektem na LHC . Říká se o něm také běžný přírodní jev způsobený kosmickým zářením .

Stabilita mikro černé díry

Hawkingovo záření

V roce 1974, Stephen Hawking tvrdil, že kvantová účinky příčinou černé díry odpařit , za vyzařování částic, jako fotony , elektrony , kvarky , gluony ,  atd  ; tomuto mechanismu se říká „Hawkingovo záření“. Jeho výpočty termodynamiky černé díry ukazují, že čím více hmoty černá díra emituje (čímž ztrácí hmotu), tím více stoupá její teplota, což neustále zvyšuje rychlost odpařování, dokud hmotnost černé díry nedosáhne Planckovy hmotnostní stupnice . To znamená, že čím menší je černá díra, tím rychleji zmizí.

Dohady o konečném stavu

Jakmile dosáhne Planckovy hmotnostní stupnice, černá díra bude mít teplotu T P / 8π (5,6 × 10 32 K), což znamená, že částice emitované Hawkingovým zářením budou mít energii srovnatelnou s hmotou černé díry. V tomto bodě již není termodynamické zpracování vhodné a černá díra již nemůže být konvenčně popsána.

Konečným osudem černé díry by mohlo být úplné odpaření nebo vytvoření zbytkového objektu, jehož hmotnost by byla blízká hmotnosti Planckovy. Pokud jsou domněnky týkající se kvantových černých děr správné, počet možných kvantových stavů v blízkosti Planckovy hmoty by byl tak malý, že by černá černá díra už prakticky nemohla interagovat se svým prostředím. Je také možné, že tyto objekty nemohou absorbovat gravitační energii kvůli širokým intervalům mezi jejich povolenými energetickými hladinami; ze stejných důvodů nemohli emitovat částice Hawkingovým zářením. Zbytky mikročerných děr by pak byly stabilní objekty. To by mohl být původ WIMP (Weakly Interacting Massive Particles ), hypotetických velmi masivních částic, které je obtížné detekovat, jejichž existence měla vysvětlovat temnou hmotu .

Prvotní černé díry

Formace v raném vesmíru

Produkce černé díry vyžaduje koncentraci hmoty nebo energie v odpovídajícím Schwarzschildově poloměru . Předpokládá se, že krátce po Velkém třesku byl vesmír dostatečně hustý, aby mohl být obsažen v jeho vlastním poloměru Schwarzschildů. Rychlost jeho expanze by však potom zabránila gravitačnímu kolapsu . To nevylučuje možnost, že se lokálně vytvořily černé díry různých velikostí. Takto vytvořené černé díry se nazývají prvotní černé díry . Toto je nejuznávanější teorie pro vznik mikročerných děr.

Očekávané pozorovatelné účinky

Každá prvotní černá díra s dostatečně nízkou hmotou by se měla odpařovat Hawkingovým zářením, dokud nedosáhne Planckovy hmotnosti během života vesmíru. Takže prvotní černé díry, které měly počáteční hmotnost asi 10 12 kilogramů, by byly v současné době v závěrečné fázi odpařování (nejlehčí, které již vypařování skončily). Za optimálních okolností byl použit kosmický dalekohled Fermi pro gama astronomii , který byl vypuštěn v rocečerven 2008, mohl detekovat experimentální důkazy o existenci a odpařování prvotních černých děr pozorováním výbuchů gama paprsků spojených s jejich koncem života.

Je nepravděpodobné, že by kolize mezi černou dírou a objektem, jako je hvězda nebo planeta, měla pozorovatelné účinky. Je to proto, že velikost těchto černých děr je tak malá, že mohly procházet běžnou hmotou složenou z atomů bez interakce s více než několika z těchto atomů.

Mikro černé díry vytvořené lidmi

Můžeme vyrobit mikro černé díry?

Pokud je gravitace popsána v prostoru majícím obvyklé tři rozměry, je minimální energie potřebná k vytvoření mikroskopické černé díry řádově 10 16 TeV a musí být koncentrována v poloměru přibližně 10 - 31  m  : což je z velké části mimo dosah jakékoli současné technologie. Odhaduje se, že k dosažení těchto podmínek během srážky částic pomocí magnetických polí, která dnes dokážeme vyprodukovat, bude zapotřebí kruhový urychlovač o průměru 1000 světelných let , aby bylo možné udržet částice na jejich dráze.

U některých teorií využívajících další dimenze však může být Planckova hmotnost snížena na měřítko TeV . Očekává se, že LHC ( Large Hadron Collider ) dosáhne energie 14 TeV . Tvrdilo se tedy, že produkce kvantových černých děr může být jev pozorovatelný na LHC nebo v budoucích urychlovačích dosahujících vyšších energií. Takové černé díry by se rozpadly emitováním paprsků částic, které by mohly být zachyceny detektory těchto zařízení. Po něco málo přes roce provozu vědci pracující na CMS v LHC oznámili, že neobjevili žádný podpis z mikro černé díry.

Bezpečnostní argumenty

Výpočty S. Hawkinga, stejně jako obecnější argumenty založené na kvantové mechanice , předpovídají, že se černé černé díry vytvořené na Planckově stupnici téměř okamžitě vypaří. Další argumenty zakládající bezpečnost srážek vysokoenergetických částic byly představeny v článku autorů SB Giddings a ML Mangano (viz také ME Peskin): který ukazuje, že v hypotetických scénářích, kdy by stabilní mikro černé díry mohly nést poškození Země, takové černé díry by již byly vytvořeny kosmickým paprskem a způsobily zničení astronomických objektů, jako je Země, Slunce, neutronové hvězdy nebo bílí trpaslíci .

Poznámky

  1. B. J. Carr a SB Giddings, "Quantum černé díry," Scientific American 292N5 (2005) 30.
  2. S.W. Hawking, Commun. Matematika. Phys. 43 (1975) 199 „  http://www.slac.stanford.edu/spires/find/hep/www?key=165336  “ ( archiv • Wikiwix • Archive.is • Google • co dělat? )
  3. „Prvotní černé díry jako zdroj extrémně vysokoenergetických kosmických paprsků“, A. Barrau, Astroparticle Physics Volume 12, číslo 4, leden 2000, strany 269-275; „Družice by mohla otevřít dveře do další dimenze“, M. McKee, 30. května 2006, nový vědec
  4. Fermi Gamma Ray Space Telescope: „Mini“ detekce černé díry
  5. IB Khriplovich, AA Pomeransky, N. Product a G. Yu. Ruban, Lze detekovat průchod malé černé díry přes Zemi? , předtisk
  6. IB Khriplovich, AA Pomeransky, N. Product a G. Yu. Ruban, Průchod malé černé díry přes Zemi. Je to zjistitelné? , předtisk
  7. Fraser Cain, bzučejí uvnitř Země mikroskopické černé díry?, [1]
  8. . Poloměr Schwarzschildova poloměru 10 15 gramů černé díry je asi 148 fm (femtometers neboli 148 × 10 −15 m), což je mnohem menší než atom, ale větší než atomové jádro.
  9. S.B. Giddings a SD Thomas, „Vysokoenergetické urychlovače jako továrny na černé díry: Konec fyziky krátkých vzdáleností,“ arXiv: hep-ph / 0106219 , Phys. Rev. D65: 056010 (2002) .
  10. S. Dimopoulos a GL Landsberg, „Černé díry v LHC“, arXiv: hep-ph / 0106295 , Phys. Rev. Lett. 87: 161602 (2001)
  11. „  Kurýr CERN - pouzdro pro mini černé díry. Listopad 2004  »
  12. Americký institut fyziky Bulletin of Physics News, číslo 558, 26. září 2001, autor: Phillip F. Schewe, Ben Stein a James Riordon
  13. CMS Collaboration, Search for Microscopic Black Hole Signatures at the Large Hadron Collider , arxiv.org, 15. prosince 2010
  14. SB Giddings a ML Mangano, „Astrofyzikální důsledky hypotetických stabilních černých děr v měřítku TeV,“ arXiv: 0806,3381 , Phys. Rev. D78: 035009, 2008
  15. ME Peskin, „Konec světa u Velkého hadronového urychlovače?“ Fyzika 1, 14 (2008)

Reference

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