Carpeta: microtro negre primordial

Els forats negres són l’etapa final del col·lapse gravitacional del material. Són àrees estranyes d’espai-temps que res sembla ser capaç d’escapar. Quan les reaccions termonuclears al centre d’una estrella suficientment massiva deixin de manca de combustible, el cor es col·lapsa brutalment mentre el sobre explota a Supernova. Res no pot aturar el procés: es troba a punt de néixer un forat negre estel·lar.

Hi ha altres tipus de forats negres, milions o mil milions de vegades més massius, que s’amaguen al centre de les galàxies i estan en l’origen dels processos més energètics de l’univers. El cor de la Via Làctia, per exemple, és la llar d’un forat negre que es calcula entre dos i quatre milions de vegades el del sol. Aquests monstres probablement resulten de l’acreció gradual del material circumdant o de la fusió de forats negres nascuts inicialment de la mort d’estrelles massives. Aquestes estrelles ja no són objectes exòtics, sinó que són una part integral del bestiari celestial de l’astronomia moderna.

Això diu que els forats negres descendeixen d’una estrella? Potser no. Altres tipus de forats negres podrien haver-se entrenat directament, per un simple col·lapse gravitacional de l’entorn ultra dens, durant els primers moments de l’univers, sense passar per l’etapa estel·lar: els forats negres primordials.

Objectes hipotètics, els forats negres primordials es troben a la cruïlla de la infinitament gran i la infinitament petita: la mecànica quàntica i la relativitat general, la cosmologia i la física de les partícules, la gravitació i la termodinàmica són simultàniament necessàries per aprehendre. Els experiments de laboratori i les observacions astronòmiques es complementen en intentar identificar aquests petits forats negres, que constitueixen una sonda privilegiada de l’univers primordial, la gravitació quàntica, es col·lapsa gravitacional o la física d’altes energies. Entendre els processos de formació i avaluar el seu nombre seria un camí privilegiat d’accés als primers moments que van seguir el Big Bang i mesurarien paràmetres inaccessibles.

La història dels forats negres primordials comença el 1967, en el cor d’una dècada molt rica per a l’astrofísica teòrica, quan el físic soviètic Yakov Zeldovich es va imaginar que els petits forats negres van ser capaços de formar-se en l’univers primordial, Just després del Big Bang. Segons ell, la molt alta densitat que va regnar llavors era favorable a l’aparició d’aquests objectes cosmològics. Una regió d’espai amb sobreduens suficient es va col·lapsar sota l’efecte de la seva pròpia severitat per formar un forat negre sense l’existència de cap estrella. La mida d’aquests anomenats forats negres primordials està limitat per la causalitat: en els primers moments del cosmos, els punts massa distants no van tenir temps per interactuar, i, un fortiori, per col·lapsar-se. Per tant, un forat negre es va formar uns 10-21 segons després que el Big Bang tindria un raig de gairebé una milionèsima part d’un mil·límetre i una massa màxima de l’ordre de 1014 quilograms (equivalent a la d’una bola de plom de prop de tres quilòmetres de radi ). Un “pes de plomes” en relació amb els forats negres estel·lars convencionals, de l’ordre d’algunes masses solars!

no tan negres

El fet que els forats negres de massa molt baixa puguin existir el físic Stephen Hawking per estar interessat en les seves propietats quàntiques. Les sorpreses no eren més petites! El 1972, Jacob Bekenstein acabava de suggerir que els forats negres tinguessin entropia, és a dir, contingut d’informació, proporcional a la zona del seu horitzó (la frontera més enllà que fins i tot la llum no pot escapar de la seva influència gravitatòria). Més espectacular va ser de nou el descobriment que, contràriament a la intuïció, els forats negres s’evaporen! El mecanisme, proposat per S. Hawking, conjugació i gravitació mecànica quàntica. En el buit quàntic, els parells de partícules i antipartícules es creen constantment i noenilat gairebé immediatament. Tanmateix, si aquesta creació es fa molt a prop de l’horitzó d’un forat negre, les dues partícules es separaran pel considerable degradat del camp gravitatori, es submergeix en el forat negre i l’altre escapant cap a l’exterior. En altres paraules, un forat negre no és bastant negre: irradia partícules!

El descobriment d’aquesta radiació il·luminava el problema de l’entropia introduïda per J. Bekenstein: l’entropia s’associa amb la calor, en si mateixa associada a la radiació, és natural que els forats negres, que tinguin entropia, també tenir una temperatura diferent de zero i irradia un flux tèrmic.

Les propietats de la temperatura dels forats negres són, però, singulars. Paradoxalment, la temperatura augmenta a mesura que el forat negre es perd de la massa i, per tant, l’energia. A més, la temperatura (i la radiació) és gairebé zero per a un forat negre estel·lar o més sòlid, mentre que pot arribar al valor més alt possible: la temperatura del Planck, és a dir, 1032 kelvins – per a un forat negre de la massa d’una pols! Finalment, l’equació elegant que defineix la temperatura, t = hc3 / 8πkgm, combina totes les constants fonamentals de la física (c, la velocitat de la llum, h, la constant de plack, g, la constant de gravitació i k la constant de Boltzman), Testificar que la radiació de Hawking és un fenomen a la intersecció de totes les branques de la física.

Aquest descobriment va obrir el camí per a un camp nou, la termodinàmica dels forats negres. També va provocar destacar un altre enigma: què passa amb la informació? Si la radiació emesa es perd, com el supòsit Hawking, qualsevol memòria dels objectes que han participat en la formació i el creixement del forat negre, la informació que porten sembla irremeiablement perduda. Aquesta situació contradiu els principis fonamentals de la mecànica quàntica! La teoria de les cordes i la gravetat quàntica amb bucles, les dues pistes més prometedores per conciliar la relativitat general i la mecànica quàntica, permeten resoldre aquestes contradiccions i donar sentit a la informació “oculta”. L’estudi de Black Microtrous potser pot posar-los a la prova i, sobretot, establir fites en aquesta recerca de la teoria unificada.

El més massiu evapora avui

Però com observar-los? Mentre que els forats negres massius poden ser detectats per la influència gravitacional que fan exercici sobre el seu barri, per destacar el microtro negre, cal aprofitar el fet que no són precisament … no negre! En el nostre temps, encara es podrien evaporar alguns forats negres primordials. La radiació de Hawking és, de fet, més intensa, ja que els forats negres són lleugers. Si es triga una mica més que l’edat de l’univers a un forat negre de la massa d’una muntanya per desaparèixer completament, només uns segons són suficients per a un forat negre tan lleuger com un petit turó per desaparèixer. L’evaporació d’un forat negre primordial d’una massa inicial d’uns 100.000 milions de quilograms no es completaria avui. Per tant, es podria detectar.

La interacció del forat negre amb els parells de partícules i antipartícules que apareixen a les proximitats del seu horitzó ser essencialment gravitacional, tant antimatèria i matèria ha de ser expedit de mitjana mitjançant la radiació Hawking. L’emissió d’una petita quantitat de matèria per un forat negre aniria totalment desapercebut, però és alternativament per a la mateixa quantitat d’antimatèria. Com és realment molt rar en la galàxia, una sobreabundància, fins i tot mínima, seria destacada fàcilment.

En els anys vuitanta, Jane Macgibbon, a la Universitat de Cambridge, va aconseguir modelar l’espectre d’emissions característics i predir de manera fiable la producció de protons i antiprotons pels forats negres primordials. Ara els antiprotons són pocs entre els raigs còsmics que Crisscross l’espai interestel·lar: com a màxim per a 10.000 protons. L’existència d’una població baixa de forats negres primordials seria suficient per superar aquest límit observacional. Per tant, és una eina de detecció molt sensible.

No obstant això, per caracteritzar el soroll de fons: antiprotons que emanen de processos més “clàssics”. Això només és possible, ja que recentment, ja que requereix una comprensió detallada de la dinàmica galàctica, la modelització de processos de física nuclear complexa, i, sobretot, moltes dades experimentals que només s’han aconseguit recentment.

Diversos detectors de raigs còsmics analitzen el domini energètic rellevant per estudiar aquest fenomen (de l’ordre de gigaelectronvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolvolt, en particular els detectors de globus com bess o observatoris espacials com Ams.

No obstant això, encara no s’ha destacat cap sobreabundància de antimatèria. La densitat dels forats negres primordials, si existeixen, és, per tant, necessàriament derivacions: no pot excedir uns quants milers de mil milions de la massa total de l’univers. La contribució de qualsevol altra forma de matèria ha estat restringida tan forta fins ara.

restriccions a les fluctuacions d’escala molt petita

Aquests resultats, per al moment negatiu, no obstant això, són molt interessants. Porten informació important sobre les condicions que regeixen en els primers moments de l’univers.Tot i que, de fet, no hi havia forats negres primordials, la seva mera absència ja porta, per si mateixa, una restricció forta i sense precedents a les fluctuacions de l’univers primordial.

Aquestes fluctuacions tenen un paper central en la comprensió de la història de l’univers. És d’ells que probablement es desenvolupen les galàxies que avui estructuren el cosmos i el seu origen deriven dels processos quàntics que havien de prevaler en els primers moments.

Els observables convencionals de cosmologia, com ara la difusa de microones (fòssils de la primera llum emesa a l’univers) o les grans estructures (distribució de clústers de Galaxia) ens informen de fluctuacions a importants escales espacials (uns minuts d’arc a diversos graus).

Els forats negres primordials representen una sonda complementària, a escales fins a 1050 vegades més petites. Els teòrics de gravetat han mostrat de fet en la dècada de 1970 que si les fluctuacions significatives s’havien desenvolupat a les escales petites, necessàriament haurien donat lloc a una formació significativa de forats negres. En l’entorn extremadament dens que l’univers primordial representava, una sobredensitat significativa en comparació amb el valor mitjà d’una regió determinada condueix al col·lapse en un forat negre. L’absència d’aquests forats negres imposa un límit superior a l’amplitud de les fluctuacions a aquestes minúscules “mides” característiques.

Les fluctuacions que poden haver generat forats negres primordials estan directament relacionats amb els models d’inflació cosmològica. Segons aquests models, l’univers va experimentar una fase d’expansió vertiginosa: la inflació – uns 10-35 segons després del Big Bang. Durant aquest breu període, el factor d’escala de l’univers – comparable a la seva mida – hauria augmentat vertiginosament, típicament un factor de 1026.

Inflació, introduïda a principis dels anys vuitanta per Alexei Starobinski, Alan Guth I Andrei Linde, avui juga un paper central en la cosmologia i ha trobat una base sòlida en la física de partícules. Es resol els elements essencials dels problemes que sorgeixen a gran escala, per exemple, explicant per què l’espai té una curvatura molt baixa, per què és homogènia d’un extrem a l’altre de la volta celeste, com s’ha pogut transmetre la informació entre zones remotes , o per què no s’observen alguns objectes estranys, però previstos a les teories de la unificació.

L’escenari d’inflació ha estat provat gràcies a nombroses observacions cosmològiques, com ara la mesura d’anisotròpics del fons cosmològic difús. Aquesta teoria és ara compatible amb totes les dades observacionals. S’han previst altres mecanismes que produeixen efectes similars, però semblen menys convincents. Observacions futures, en particular les que es duran a terme pel satèl·lit Planck que es llançaran el 2009 per l’Agència Espacial Europea, permetran provar més precisament models d’inflació i obrir el camí per a un estudi quantitatiu real d’aquests escenaris. .

Quina informació fa que els forats negres primordials porten a la inflació? Si aquesta última és una part integral del model estàndard de cosmologia, queda molt difícil de provar i caracteritzar els detalls dels processos en el treball. Les mesures de la substància cosmològica difusa permeten tenir una primera idea de l’energia inicial del camp a l’origen de la inflació (la inflació). De manera complementària, els forats negres primordials proporcionen índexs en altres paràmetres teòrics bàsics (en particular l’acceleració d’aquest camp) i la seva simple absència limita l’espai dels valors possibles (quant als forats negres hipotecats, hipotecats. La inflació, que hauria estat tan diluïda per això que la seva població seria insignificant avui). A més, tot i que les restriccions que aquestes proposicions de microtro negres en certs escenaris inflacionistes són quantitativament bastant baixos, el fet que proporcionin accés a l’espectre primordial de fluctuacions en un rang d’escala espacial. Al voltant de 1050 vegades més baixes que els que solen considerar-los Pertinent: molt pocs processos físics es poden extrapolar fins al moment del camp on es mesuren …

Conseqüències exòtiques

-delly fluctuacions generades naturalment per la inflació, molts altres processos, més o menys exòtic, pot conduir a la formació de microtro negre en l’univers primordial. Khlopov i A.G.Polnarev, de l’Institut d’Enginyeria Física de Moscou, va suggerir en 1980 que si hagués existit una fase d’expansió cosmològica durant la qual les partícules eren no relativistes (l’anomenada “fase de pols”), la producció de mineria negra hauria estat es va reprendre. En aquest entorn, de fet, la pressió del fluid primordial que es constitueix el col·lapse del forat negre és menor, de manera que l’amplitud de les fluctuacions necessàries per a la seva formació es fa molt menor.

s. Hawking també ha mostrat al mateix temps que les col·lisions de corda còsmica, hipotètics estructures macroscòpiques filiformes de simetria trencada, o bombolles de “veritable buida” (que és, més estable que l’univers circumdant i, per tant, la definició d’un estat fonamental real), també hauria de causar la formació de microtro negre.

Els estudis recents han suggerit que aquests forats negres també podrien afectar la síntesi dels elements químics. Els parells de quarks i antiquarks emesos durant l’evaporació dels forats negres essencials es fragmentarien de fet partícules que es difonguessin en el plasma calent d’electrons, fotons i nucleons. Més sorprenentment, la presència de forats negres primordials podria modificar la bariogènesi (l’aparició d’una asimetria entre la matèria i l’antimatèria) submergint l’univers en un nou període “relativista” a través de l’emissió de partícules d’energia. Els grans especialistes de la relativitat general, John Barrow, Cambridge i Bernard Carr, de la Universitat de Queen Mary, també van assenyalar que la història de la formació dels forats negres primordials conservaria la memòria d’una possible variació en el temps de la Constant de gravitació. Si fos significativament diferent en l’univers jove, ja que algunes teories d’unificació prediuen, es canviarà la taxa de formació del forat negre.

Més generalment, l’estudi dels forats negres primordials està vinculat a la comprensió de molts fenòmens de “nova física” que caracteritzen els inicis de l’univers.

De moment, aquests microtrusos de color negre primordial romanen, però, invisibles … pista, però, no acaba aquí! Els detectors espacials cada vegada més eficients, com l’espectròmetre magnètic d’Alpha AMS-II o espectròmetre gasós, permetran a la propera dècada buscar la signatura de la possible emissió pels forats negres, només protons i antiprotons, sinó també antinioons lleugers (com ara antideteron, que consisteix en un antiprotó i un anti-letró). Això guanyaria un ordre de magnitud en la sensibilitat i pot conduir a una primera detecció. De fet, els anti-avorrides dels processos convencionals (les interaccions de protons de radiació còsmica amb protons interestel·lars) tenen energies més grans que les emeses per petits forats negres durant la seva evaporació.

Simultàniament, els fotons d’alta energia (rajos gamma) també formen una signatura observatòria interessant. Vénen no només de l’emissió directa a través del forat negre, sinó també la desintegració de peces neutres. A diferència de les partícules carregades, els raigs gamma no es limiten a les galàxies pel camp magnètic. Per tant, permeten observar les galàxies distants i, per tant, un volum d’un univers considerable. Tenint en compte l’evolució de la densitat dels forats negres a temps (perquè l’evaporació modifica l’espectre d’emissions), i una bona caracterització del soroll de fons vinculats a les galàxies i els nuclis actius de les galàxies, els raigs gamma ofereixen restriccions sobre la població Dels forats negres primordials comparables a la de les antipartícules, però independents. Gràcies a futurs satèl·lits, com Fermi, només s’esperen millores de sensibilitat considerables. La recerca de Black Microtrous acaba de començar!

Més enllà d’aquesta dimensió cosmològica, els forats negres primordials són també un mitjà preferit per estudiar la gravitació i la física de les altes energies. En particular, recentment s’ha demostrat que la formació d’aquests forats negres podria seguir les lleis dels “fenòmens crítics” en la física estadística. Es col·lapsa gravitacional que condueix al microtro negre comencen a ser detinguts en aquest context. Aquest enfocament podria ser ric en connexions entre diferents àrees de recerca que encara es van particionar.

Els forats negres primordials també podrien aportar il·luminació inèdita en models de física de partícules, tan aviat com la temperatura excedeixi les energies avui afectades pels col·lisors.L’energia del gran col·lisionador d’Hadrons LHC, és a dir, 14 teralectronvolts, és equivalent a la temperatura d’un forat negre de 1000 tones i 10-21 metres de radi. Una vegada que un forat negre, durant la seva evaporació, es fa més petit que aquest llindar, és una font potencial de noves partícules més pesades que les observables a la LHC. Es preveuen aquestes partícules, per exemple, pel model supersimètric que constitueix l’extensió més natural del model estàndard d’alta física energètica.

una contribució a la matèria fosca?

Finalment, el microtrós negre primordial potser contribueix a la matèria fosca. Aquesta forma de material misteriós i invisible és aproximadament sis vegades més abundant que el material habitual o bariònic. Forats negres primordials la massa de la qual seria prou alta perquè la seva evaporació sigui insignificant – de l’ordre d’un petit planeta – potser constitueixen una fracció d’aquest material invisible. Una possibilitat més interessant prové dels residus de l’evaporació de forats negres primordials lleugers. Aquestes relíquies d’evaporació, amb prou feines més pesades que una pols, però la densitat de la qual tancaria 1087 tones per centímetre cúbic, podria contribuir a la matèria fosca. Prova de l’existència d’aquests residus també seria un gran avenç en la comprensió de la gravitació quàntica, la configuració natural de la descripció del final de la vida dels forats negres a la plack. De fet, mentre la relativitat general d’Einstein prediu l’evaporació completa sense la més mínima relíquia, molts models de gravetat quàntica suggereixen l’existència d’aquestes petites “restes” de forats negres.

Tot i que no ho són, en sentit estricte, essencial, altres forats negres de massa molt baixa, per la qual cosa l’evaporació de la radiació de Hawking és tan important, també es podria ressaltar. En acceleradors de partícules i després portaria Informació crucial sobre la naturalesa de l’espai-temps (vegeu la caixa 48).

Així els forats negres microscòpics són objectes a la cruïlla de les teories de la unificació de la física moderna. Qualsevol que passi amb aquestes teories, la temperatura, l’entropia, la radiació i l’acoblament de microtro negre amb les partícules ja han estat un motor poderós per a la física fonamental. Però, més enllà de les seves propietats intrínseques, els forats negres primordials també són eines preferents per entendre els primers moments de l’univers i provar molts models especulatius en cosmologia. El seu estudi només comença. Tot i que mai no conduiria a la seva detecció, probablement donarà a llum a grans avançats en física fonamental.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *