Cartella: Primordiale Nero Microtrous

I fori neri sono la fase finale del crollo gravitazionale del materiale. Sono strane aree dello spazio-tempo che nulla sembra essere in grado di scappare. Quando le reazioni termonucleare al centro di una stella sufficientemente massiccia cessano la mancanza di carburante, il cuore crolla brutalmente su se stesso mentre la busta esplode a Supernova. Niente può fermare il processo: un buco nero stellare sta per nascere.

Ci sono altri tipi di buchi neri, milioni o miliardi di tempi più massicci, che nascondono al centro delle galassie e sono all’origine dei processi più energetici dell’universo. Il cuore della Via Lattea, ad esempio, è sede di un buco nero la cui massa è stimata tra due e quattro milioni di volte quella del sole. Tali mostri derivano probabilmente dall’accrescimento graduale del materiale circostante o dalla fusione dei buchi neri inizialmente nati dalla morte di stelle massicce. Queste stelle non sono più oggetti esotici, ma sono parte integrante del bestiario celeste della moderna astronomia.

Dice che i buchi neri scendono da una stella? Forse no. Altri tipi di buchi neri potrebbero aver addestrato direttamente, con un semplice crollo gravitazionale dell’ambiente ultra-denso, durante i primi momenti dell’universo, senza attraversare la fase stellare: i fori neri primordiali.

Oggetti ipotetici, i fori neri primordiali sono al crocevia dell’infinitamente grande e infinitamente piccolo: meccanica quantistica e relatività generale, cosmologia e fisica di particelle, gravitazione e termodinamica, sono contemporaneamente necessarie per portarli. Esperimenti di laboratorio e osservazioni astronomiche si completano a vicenda nel tentativo di identificare questi minuscoli buchi neri, che costituiscono una sonda privilegiata dell’universo primordiale, la gravitazione quantistica, il gravitazionale dei crolli o la fisica delle energie elevate. Comprendere i processi di formazione e valutare il loro numero sarebbe un percorso privilegiato di accesso ai primi momenti che seguivano il Big Bang e misurerebbe parametri inaccessibili.

La storia dei fori neri primordiali inizia nel 1967, nel cuore di un decennio molto ricco per astrofisica teorica, quando il fisico sovietico Yakov Zeldovich immaginava che piccoli buchi neri fossero in grado di formare nell’universo primordiale, Subito dopo il Big Bang. Secondo lui, l’altissima densità che regnava poi era favorevole alla comparsa di tali oggetti cosmologici. Una regione di spazio con overduns sufficienti è suscettibile di crollare sotto l’effetto della propria severità per formare un buco nero senza l’esistenza di nessuna stella. La dimensione di questi cosiddetti fori primordiali neri è limitato dalla causalità: nei primi momenti del cosmo, i punti troppo distanti non hanno avuto il tempo di interagire, e, a fortiori, per crollare. Così, un buco nero formava circa 10-21 secondi dopo che il Big Bang avrebbe avuto un raggio di a malapena un miliardesimo di millimetro e una massa massima dell’ordine di 1014 chilogrammi (equivalente a quello di una palla di piombo da vicino tre chilometri di raggio ). Un “peso della piuma” relativo ai tradizionali fori neri stellari, dell’ordine di alcune masse solari!

Non così buchi neri

Il fatto che i fori neri di massa molto bassa possano esistere incentivi il fisico Stephen Hawking per essere interessato alle loro proprietà quantistiche. Le sorprese non erano più piccole! Nel 1972, Jacob Bekenstein aveva appena suggerito che i buchi neri hanno un’entropia, cioè il contenuto di informazioni, proporzionale all’area del loro orizzonte (il confine oltre il quale anche la luce non può sfuggire alla loro influenza gravitazionale). Più spettacolare è stata di nuovo la scoperta che, contrariamente all’intuizione, i buchi neri evaporano! Il meccanismo, proposto da S. Hawking, coniugazione meccanica quantistica e gravitazione. Nel vuoto quantistico, le coppie di particelle e antiparticelle sono costantemente create e non unimilate quasi immediatamente. Tuttavia, se questa creazione avviene molto vicino all’orizzonte di un buco nero, le due particelle saranno separate dal considerevole gradiente del campo gravitazionale, si staccando nel buco nero e l’altro fuggire verso l’esterno. In altre parole, un buco nero non è abbastanza nero: irradia le particelle!

La scoperta di questa radiazione ha illuminato il problema dell’entropia introdotta da J. Bekenstein: l’entropia è associata al calore, stessa associata alla radiazione, è naturale che i fori neri, che hanno anche entropia, anche avere una temperatura non zero e irradiano un flusso termico.

Le proprietà della temperatura dei fori nere sono, tuttavia, singolari. Paradossalmente, la temperatura aumenta mentre il buco nero perde dalla massa e quindi l’energia. Inoltre, la temperatura (e la radiazione) è quasi a zero per un buco nero stellare o più solido, mentre può raggiungere il valore più alto possibile – la temperatura di Planck, cioè 1032 Kelvins – per un buco nero della massa di una polvere! Infine, l’elegante equazione che definisce la temperatura, T = HC3 / 8πkgm, combina tutte le costanti fondamentali della fisica (C, la velocità della luce, H, il Planck Constant, G, la costativa della gravitazione e la costante di K the Boltzman), Testare che la radiazione di Hawking è un fenomeno all’incrocio di tutti i rami della fisica.

Questa scoperta ha aperto la strada per un nuovo campo, la termodinamica dei fori neri. Ha anche portato a evidenziare un altro enigma: cosa succede alle informazioni? Se la radiazione è emessa perde, come si suppone Hawking, qualsiasi memoria degli oggetti che hanno partecipato alla formazione e alla crescita del buco nero, le informazioni che indossano sembrano irrimediabilmente perse. Tale situazione contraddice i principi fondamentali della meccanica quantistica! La teoria delle corde e la gravità quantica con i loop, le due tracce più promettente per conciliare la relatività generale e la meccanica quantistica, consentono di risolvere queste contraddizioni e di dare un senso alle informazioni “nascoste”. Lo studio del microtrozzo nero può forse metterli al test e, soprattutto, impostare le pietre miliari in questa ricerca della teoria unificata.

L’evaporata più massiccio oggi

ma come osservarli? Mentre i massicci buchi neri possono essere rilevati dall’influenza gravitazionale che si esercitano sul loro quartiere, per evidenziare il microtrozzo nero, devi approfittare del fatto che non sono precisamente … non nero! Nel nostro tempo, alcuni fori neri primordiali potrebbero ancora essere evaporato. La radiazione di Hawking è davvero tanto più intensa come i buchi neri sono leggeri. Se ci vuole un po ‘più di un’età dell’universo a un buco nero della massa di una montagna per scomparire completamente, solo pochi secondi sono sufficienti per un buco nero come una piccola collina per svanire. L’evaporazione di un foro nero primordiale di una massa iniziale di circa 100 miliardi di chilogrammi non sarebbe stata completata oggi. Potrebbe quindi essere rilevato.

L’interazione del buco nero con le coppie di particelle e antiparticelle che appaiono nelle vicinanze del suo orizzonte essenzialmente gravitazionale, tanto antimateria e materia deve in media essere rilasciata da radiazioni Hawking. L’emissione di una piccola quantità di materia da parte di un buco nero sarebbe andato totalmente inosservato, ma è alternativamente per la stessa quantità di antimateria. Poiché è davvero molto raro nella galassia, una sovrabbondanza, anche minimale, sarebbe facilmente evidenziata.

Negli anni ’80, Jane MacGibbon, presso l’Università di Cambridge, è riuscito a modellare lo spettro delle emissioni caratteristici e prevedere in modo affidabile la produzione di protoni e antiprotoni dei fori neri primordiali. Ora gli antiprotoni sono pochi tra i raggi cosmici che incrociano lo spazio interstellare: al massimo per 10.000 protoni. L’esistenza di una bassa popolazione di buchi neri primordiali sarebbe sufficiente a superare questo limite di osservazione. È quindi uno strumento di rilevamento molto sensibile.

Tuttavia, per caratterizzare il rumore di fondo – antiprotoni emanarsi da più processi “classici”. Questo è possibile solo da quando, in quanto ciò richiede una comprensione dettagliata delle dinamiche galattiche, complesse modellazione del processo di fisica nucleare e, soprattutto, molti dati sperimentali che sono stati raggiunti solo di recente.

Diversi rilevatori di raggi cosmici Scrutinizzano il dominio energetico pertinente per studiare questo fenomeno (dell’ordine di Gigaelectronvolt), in particolare rilevatori di palloncino come BESS o osservatori spaziali come AMS.

Tuttavia, nessuna sovrabbondanza antimata è stata ancora evidenziata. La densità dei fori neri primordiali, se esistono, è quindi necessariamente derisoria: non può superare alcuni miliardi della massa totale dell’universo. Il contributo di qualsiasi altra forma di materia è stato costretto così forte finora.

Vincoli su fluttuazioni molto in scala

Questi risultati, per il momento negativo, sono comunque molto interessanti. Portano importanti informazioni sulle condizioni che regnano nei primi momenti dell’universo.Anche se, infatti, non c’erano buchi neri primordiali, la loro semplice assenza porta già, da sola, un vincolo forte e senza precedenti sulle fluttuazioni nell’universo primordiale.

Queste fluttuazioni svolgono un ruolo centrale nella comprensione della storia dell’universo. Viene da loro che probabilmente sono sviluppati le galassie che oggi strutturano il cosmo e la loro origine derivano dai processi quantici che hanno dovuto prevalere nei primi momenti.

Gli osservabili convenzionali di cosmologia, come ad esempio il microonde diffuso (fossile della prima luce emesso nell’universo) o le grandi strutture (distribuzione dei cluster della galassia) ci informano sulle fluttuazioni a importanti scale spaziali (pochi minuti di arco a diversi gradi).

I fori neri primordiali rappresentano una sonda complementare, a scale fino a 1050 volte più piccola. I teorici della gravità hanno effettivamente dimostrato negli anni ’70 che se fluttuazioni significative si erano sviluppate a piccole scale, avrebbero necessariamente portato a una significativa formazione di buchi neri. Nell’ambiente estremamente denso rappresentata l’universo primordiale, una significativa overdensità rispetto al valore medio in una determinata regione conduce al crollo in un buco nero. L’assenza di tali buchi neri impone quindi un limite superiore all’ampiezza delle fluttuazioni a queste minuscole “taglie” caratteristiche.

Le fluttuazioni che potrebbero aver generato fori primordiali nere sono direttamente correlate ai modelli di gonfiaggio cosmologici. Secondo questi modelli, l’universo ha vissuto una fase di espansione vertiginosa – inflazione – circa 10-35 secondi dopo il Big Bang. Durante questo breve periodo, il fattore di scala dell’universo – paragonabile alle sue dimensioni – sarebbe aumentato vertiginosamente, tipicamente un fattore di 1026.

inflazione, introdotto all’inizio degli anni ’80 da Alexei STAROBINSKI, Alan Guth E Andrei Linde, oggi svolge un ruolo centrale nella cosmologia e ha trovato una solida base nella fisica delle particelle. Risolve gli elementi essenziali dei problemi che sorgono su larga scala, ad esempio spiegando perché lo spazio ha una curvatura molto bassa, perché è omogeneo da un’estremità all’altro del caveau celeste, come le informazioni potrebbero essere trasmesse tra aree remote , o perché alcuni oggetti strani, ma previsti dalle teorie dell’unificazione, non sono osservati.

Lo scenario di inflazione è stato testato grazie a numerose osservazioni cosmologiche, come la misurazione dell’anisotropica dello sfondo diffuso cosmologico. Questa teoria è ora compatibile con tutti i dati osservativi. Sono stati previsti altri meccanismi che producono effetti simili, ma appaiono meno convincenti. Osservazioni future, in particolare quelle che saranno effettuate dal Satellite Planck che verranno lanciate nel 2009 dall’Agenzia spaziale europea, consentiranno di testare più precisamente modelli di inflazione e per aprire la strada a un vero studio quantitativo di questi scenari .

Quali informazioni i fori neri primordiali portano all’inflazione? Se quest’ultimo è parte integrante del modello standard della cosmologia, rimane molto difficile da testare e caratterizzare i dettagli dei processi al lavoro. Le misure della sostanza diffusa cosmologica consentono di avere una prima idea dell’energia iniziale del campo all’origine dell’inflazione (il gonfiatore). In modo complementare, i fori neri primordiali forniscono indici su altri parametri teorici fondamentali (in particolare l’accelerazione di questo campo) e la loro semplice assenza vincola lo spazio dei valori possibili (per quanto riguarda i fori ipotecari, ipotesi di mutuo formati prima del Inflazione, sarebbero stati così diluiti da ciò che la loro popolazione sarebbe trascurabile oggi). Inoltre, anche se i vincoli che questi microtrozzi neri pone su determinati scenari inflazionari sono quantitativamente piuttosto bassi, il fatto che forniscano l’accesso allo spettro primordiale delle fluttuazioni in una gamma di scala spaziale. Circa 1050 volte più in basso di quelli solitamente considerati Pertinente: Pochissimi processi fisici possono essere estrapolati finora dal campo in cui sono misurati …

Conseguenze esotiche

– fluttuazioni di sangue naturalmente generate da inflazione, molti altri processi, più O meno esotico, può portare alla formazione di microtrozzi neri nell’universo primordiale. Mr. Khlopov e A.G.Polnarev, dall’Istituto di ingegneria fisica di Mosca, suggerito nel 1980 che se esistesse una fase di espansione cosmologica durante la quale le particelle erano non relativistiche (la cosiddetta “fase di polvere”), la produzione di mineraria nera sarebbe stata ripreso. In tale ambiente, in effetti, la pressione del fluido primordiale che la controstruistruttura il crollo del buco nero è inferiore, in modo che l’ampiezza delle fluttuazioni necessarie per la loro formazione diventa molto più piccola.

s. Hawking ha anche mostrato allo stesso tempo delle collisioni cosmiche della corda, le strutture macroscopiche ipotetiche filiformes dalla simmetria rotta o le bolle di “vera vuote” (cioè più stabile dell’universo circostante e quindi definisce un vero stato fondamentale), dovrebbe anche causare un vero stato fondamentale). la formazione di microtrozzi neri.

Studi recenti hanno suggerito che questi buchi neri potrebbero anche influenzare la sintesi degli elementi chimici. Paia di quark e anticarks emessi durante l’evaporazione dei buchi neri essenziali sarebbe frammentato in effetti particelle che si diffondono sul plasma caldo di elettroni, fotoni e nuclei. Più sorprendentemente, la presenza di buchi neri primordiali potrebbe modificare la bararingogenesi (la comparsa di un’asimmetria tra la materia e l’antimateria) impolvendo l’universo in un nuovo periodo “relativistico” attraverso l’emissione di particelle energetiche. I grandi specialisti della relatività generale, John Barrow, Cambridge e Bernard Carr, dall’Università della Regina Mary, ha anche sottolineato che la storia della formazione dei fori neri primordiali manterrebbe la memoria di una possibile variazione nel tempo del tempo del Gravitazione costante. Se fosse significativamente diverso nel giovane universo, poiché alcune teorie di unificazione prevedono, il tasso di formazione del foro nero sarebbe cambiato.

Più in generale, lo studio dei fori neri primordiali è collegato alla comprensione di molti fenomeni di “nuova fisica” che caratterizzano gli inizi dell’universo.

Per il momento, questi microtrozzi neri primordiali rimangono comunque invisibili … Traccia, tuttavia, non finisce qui! I rivelatori spaziali sempre più efficienti, come lo spettrometro magnetico di Alpha AMS-II o lo spettrometro gassoso gassoso, consentiranno nel prossimo decennio di cercare la firma della possibile emissione da parte dei fori neri solo dei protoni e degli antiprotoni, ma anche gli antinili leggeri (come antideteron, composto da un antiproton e un anti-linetutron). Ciò guadagnerà un ordine di grandezza in sensibilità e può portare a un primo rilevamento. Infatti, anti-opacità dei processi convenzionali (interazioni dei protoni di radiazione cosmica con protoni interstellar) hanno energie più grandi di quelle emesse da piccoli buchi neri durante la loro evaporazione.

simultaneamente, i fotoni ad alta energia (raggi gamma) formano anche una firma osservativa interessante. Vengono non solo dall’emissione diretta attraverso il buco nero, ma anche la disintegrazione dei pezzi neutri. A differenza delle particelle caricate, i raggi Gamma non sono limitati alle galassie dal campo magnetico. Pertanto consentono di osservare le galassie distanti e, quindi, un volume di un universo considerevole. Prendendo in considerazione l’evoluzione della densità dei buchi neri nel tempo (perché l’evaporazione modifica lo spettro di emissione), e una buona caratterizzazione del rumore di sottofondo collegato alle galassie e ai nuclei attivi delle galassie, i raggi gamma offrono vincoli sulla popolazione dei fori neri primordiali paragonabili a quello delle antiparticelle, ma indipendenti. Grazie ai futuri satelliti, come Fermi, appena lanciato, sono previsti miglioramenti di sensibilità considerevoli. La ricerca del microtrozzo nero è appena iniziata!

Oltre a questa dimensione cosmologica, i fori neri primordiali sono anche un mezzo preferito per studiare la gravitazione e la fisica di elevate energie. In particolare, è stato recentemente dimostrato che la formazione di questi buchi neri potrebbe seguire le leggi dei “fenomeni critici” nella fisica statistica. I crolli gravitazionali che portano a microtrozzi neri iniziano ad essere arrestati in questo contesto. Questo approccio potrebbe essere ricco di connessioni tra diverse aree di ricerca ancora partizionate.

I fori neri primordiali potrebbero anche portare l’illuminazione inedita sui modelli di fisica delle particelle, non appena la loro temperatura supera le energie oggi colpite dai collini.L’energia del grande collisione di Hadrons LHC, cioè 14 Teralictronvolt, equivalente alla temperatura di un buco nero di 1000 tonnellate e 10-21 metri di raggio. Una volta un buco nero, durante la sua evaporazione, diventa più piccolo di questa soglia, è una potenziale fonte di nuove particelle più pesanti di quelle osservabili al LHC. Tali particelle sono previste, ad esempio, dal modello supersimmetrico che costituisce l’estensione più naturale del modello standard di fisica ad alta energia.

Un contributo alla materia oscura?

Infine, il microtrooso nero primordiale forse contribuisce alla materia oscura. Questa forma di materiale misterioso e invisibile è di circa sei volte più abbondante del solito – o materiale barilonico. Fori neri primordiali La cui massa sarebbe abbastanza alta per la loro evaporazione di essere trascurabile – dell’ordine di quella di un piccolo pianeta – forse costituire una frazione di questo materiale invisibile. Una possibilità più interessante proviene dai residui dell’evaporazione dei fori neri primordiali leggeri. Queste reliquie di evaporazione, a malapena più pesante di una polvere, ma la cui densità chiuderebbe 1087 tonnellate per centimetro cubico, potrebbe contribuire alla materia oscura. La prova dell’esistenza di questi residui sarebbe anche una svolta importante nella comprensione della gravitazione quantistica, impostazione naturale della descrizione della fine della vita dei buchi neri sul palato. Infatti, mentre la relatività generale di Einstein predice la completa evaporazione senza la minima reliquia, molti modelli di gravità quantistica suggeriscono l’esistenza di questi piccoli “resti” di buchi neri.

Sebbene non siano, nel senso rigoroso, essenziale, altri buchi neri di massa molto bassa, per i quali l’evaporazione della radiazione del Hawking è importante, potrebbe anche essere evidenziata. In acceleratori di particolato e poi porterebbe Informazioni cruciali sulla natura dello spazio-tempo (vedi casella 48).

Così i fori neri microscopici sono oggetti all’incrocio delle teorie dell’unificazione della fisica moderna. Qualunque cosa accada con queste teorie, la temperatura, l’entropia, la radiazione e l’accoppiamento del microtrozzo nero con le particelle sono già stati un potente motore per la fisica fondamentale. Ma, al di là delle loro proprietà intrinseche, i fori neri primordiali sono anche strumenti preferiti per comprendere i primi momenti dell’universo e testare molti modelli speculativi in cosmologia. Il loro studio è probabilmente iniziato solo. Anche se non avrebbe mai portato al loro rilevamento, probabilmente darà alla luce il maggiore avanzato nella fisica fondamentale.

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