Carpeta: Primorial Black Microtrous

Los orificios negros son la etapa definitiva del colapso gravitacional del material. Son áreas extrañas de espacio-tiempo que nada parece ser capaz de escapar. Cuando las reacciones termonucleares en el centro de una estrella suficientemente masiva cesan por falta de combustible, el corazón se derrumba brutalmente en sí mismo mientras la envoltura explota en Supernova. Nada puede detener el proceso: un agujero negro estelar está a punto de nacer.

Hay otros tipos de agujeros negros, millones o miles de millones de tiempos más masivos, que se esconden en el centro de las galaxias y están en el origen de los procesos de mayor energía del universo. El corazón de la Vía Láctea, por ejemplo, es el hogar de un agujero negro cuya masa se estima entre dos y cuatro millones de veces la del sol. Tales monstruos probablemente resultan de la acumulación gradual del material circundante o la fusión de agujeros negros nacidos inicialmente de la muerte de las estrellas masivas. Estas estrellas ya no son objetos exóticos, sino que son una parte integral del bestiario celestial de la astronomía moderna.

¿Dice esto que los agujeros negros descienden de una estrella? Puede que no. Otros tipos de agujeros negros podrían haber capacitado directamente, por un simple colapso gravitacional del entorno ultra denso, durante los primeros momentos del universo, sin pasar por la etapa estelar: los agujeros negros primordiales.

Objetos hipotéticos, los orificios negros primordiales están en la encrucijada de los infinitamente grandes y los infinitamente pequeños: la mecánica cuántica y la relatividad general, la cosmología y la física de las partículas, la gravitación y la termodinámica, son simultáneamente necesarias para aprehenderlos. Los experimentos de laboratorio y las observaciones astronómicas se complementan entre sí al tratar de identificar estos pequeños agujeros negros, que constituyen una sonda privilegiada del universo primordial, la gravitación cuántica, los colapsos gravitacionales o la física de las energías altas. Comprender los procesos de capacitación y evaluar su número sería un camino privilegiado de acceso a los primeros momentos que siguieron al Big Bang y medirían parámetros inaccesibles.

La historia de los orificios negros primordiales comienza en 1967, en el corazón de una década muy rica para la astrofísica teórica, cuando el físico soviético Yakov Zeldovich imaginó que los pequeños agujeros negros pudieron formarse en el universo primordial, Justo después del Big Bang. Según él, la densidad muy alta que reinaba entonces era favorable a la aparición de tales objetos cosmológicos. Es probable que una región del espacio con superdores superiores se derrumbará bajo el efecto de su propia gravedad para formar un agujero negro sin la existencia de ninguna estrella. El tamaño de estos llamados agujeros negros primordiales está limitada por la causalidad: en los primeros momentos del cosmos, los puntos demasiado lejanos no tenían tiempo para interactuar, y, a fortiori, para colapsar. Por lo tanto, un agujero negro se formó unos 10-21 segundos después de que el Big Bang tendría un rayo de apenas un billonés de milímetro y una masa máxima del orden de 1014 kilogramos (equivalente a la de una bola de plomo de cerca a tres kilómetros de radio. ). ¡Un «peso de la pluma» en relación con los agujeros negros estelares convencionales, del orden de algunas masas solares!

No tan tan negros

El hecho de que los orificios negros de la masa muy baja pueden incentivar el físico Stephen Hawking para estar interesado en sus propiedades cuánticas. ¡Las sorpresas no fueron más pequeñas! En 1972, Jacob Bekenstein acababa de sugerir que los agujeros negros tienen una entropía, es decir, contenido de información, proporcional al área de su horizonte (la frontera más allá de la cual incluso la luz no puede escapar de su influencia gravitatoria). ¡Más espectacular fue el descubrimiento de que, contrariamente a la intuición, los agujeros negros se evaporan! El mecanismo, propuesto por S. hawking, conjugado cuántico mecánico y gravitación. En la aspiradora cuántica, los pares de partículas y antipartículas se crean constantemente y no sean, casi de inmediato. Cependant, si cette création se déroule très près de l’horizon d’un trou noir, les deux particules vont être séparées par le gradient considérable du champ gravitationnel, l’une plongeant dans le trou noir et l’autre s’échappant vers l ‘exterior. En otras palabras, un agujero negro no es del todo negro: ¡irradia partículas!

El descubrimiento de esta radiación iluminó el problema de la entropía introducida por J. Bekenstein: la entropía se asocia con el calor, se asocia con la radiación, es natural que los orificios negros, también tienen entropía, también Tiene una temperatura distinta de cero e irradia un flujo térmico.

Las propiedades de la temperatura de los orificios negros son, sin embargo, singular. Paradójicamente, la temperatura aumenta a medida que el agujero negro pierde de la masa y, por lo tanto, la energía. Además, la temperatura (y la radiación) es casi cero para un agujero negro estelar o más sólido, mientras que puede alcanzar el valor más alto posible: la temperatura de Planck, es decir, 1032 Kelvins, ¡para un agujero negro de la masa de un polvo! Finalmente, la ecuación elegante que define la temperatura, T = HC3 / 8πKGM, combina todas las constantes fundamentales de la física (C, la velocidad de la luz, H, la constante de Planck, G, la constante de gravitación y K la constante de Boltzman), Testificar que la radiación de Hawking es un fenómeno en la intersección de todas las ramas de la física.

Este descubrimiento allanó el camino para un nuevo campo, la termodinámica de los agujeros negros. Ella también llevó a resaltar otro enigma: ¿Qué pasa con la información? Si la radiación emitida pierde, como suponen Hawking, cualquier recuerdo de los objetos que han participado en la formación y crecimiento del agujero negro, la información que usan parecen perderse irremediablemente. ¡Tal situación contradice los principios fundamentales de la mecánica cuántica! La teoría de las cadenas y la gravedad cuántica con los bucles, las dos pistas más prometedoras para conciliar la relatividad general y la mecánica cuántica, permiten resolver estas contradicciones y dar sentido a la información «oculta». El estudio de Black Microtrous puede quizás los ponga a la prueba y, sobre todo, establecer hitos en esta búsqueda de la teoría unificada.

Los evaporados más masivos hoy en día

¿Pero cómo observarlos? Si bien los agujeros negros masivos pueden ser detectados por la influencia gravitatoria que ejercen sobre su vecindario, para resaltar el microtrojo negro, tiene que aprovechar el hecho de que no son precisamente … ¡no es negro! En nuestro tiempo, algunos agujeros negros primordiales aún podrían ser evaporados. La radiación de Hawking es, de hecho, más intensa, ya que los agujeros negros son ligeros. Si se necesita un poco más de la edad del universo a un agujero negro de la masa de una montaña para desaparecer por completo, solo unos segundos son suficientes para un agujero negro como la luz como una pequeña colina para desaparecer. La evaporación de un agujero negro primordial de una masa inicial de aproximadamente 100 mil millones de kilogramos no se completaría hoy en día. Por lo tanto, podría ser detectado.

La interacción del agujero negro con los pares de partículas y antipartículas que aparecen en las proximidades de su horizonte es esencialmente gravitacional, la mayor cantidad de antimateria y materia deben emitirse en promedio por la radiación Hawking. La emisión de una pequeña cantidad de materia por un agujero negro iría totalmente desapercibido, pero alternativamente es por la misma cantidad de antimateria. Como es, de hecho, muy raro en la galaxia, una sobreabundancia, incluso mínima, se resaltaría fácilmente.

En la década de 1980, Jane MacGibbon, en la Universidad de Cambridge, logró modelar el espectro de emisiones características y predecir de manera confiable la producción de protones y antiprotones por los orificios negros primordiales. Ahora, los antiprotones son pocos entre los rayos cósmicos que crucieron el espacio interestelar: a lo sumo uno por 10,000 protones. La existencia de una baja población de agujeros negros primordiales sería suficiente para exceder este límite observacional. Por lo tanto, es una herramienta de detección muy sensible.

Sin embargo, para caracterizar el ruido de fondo: los antiprotones que emanan de los procesos más «clásicos». Esto solo es posible desde hace poco, ya que esto requiere una comprensión detallada de la dinámica galáctica, el modelado complejo de procesos de física nuclear y, sobre todo, muchos datos experimentales que solo se han logrado recientemente.

Varios detectores de rayos cósmicos examinan el dominio energético relevante para estudiar este fenómeno (del orden de Gigaelectronvolt), en particular los detectores de balón como BESS o observatorios espaciales como AMS.

Sin embargo, aún no se ha resaltado la sobreabundancia de antimateria. Por lo tanto, la densidad de los orificios negros primordiales, si existen, por lo tanto, es necesariamente burlón: no puede exceder los mil millones de la masa total del universo. La contribución de cualquier otra forma de materia se ha limitado como fuerte hasta ahora.

Restricciones en fluctuaciones a pequeña escala

Estos resultados, por el momento negativo, son muy interesantes. Traen información importante sobre las condiciones que reinan en los primeros momentos del universo.Aunque, de hecho, no hubo agujeros negros primordiales, su mera ausencia ya trae, por sí misma, una restricción fuerte y sin precedentes en las fluctuaciones en el universo primordial.

Estas fluctuaciones desempeñan un papel central en la comprensión de la historia del universo. Es de ellos que probablemente se desarrollen las galaxias que hoy en día estructan el cosmos y su origen se derivan de los procesos cuánticos que tenían que prevalecer en los primeros momentos.

Los observables convencionales de la cosmología, como la difusión de microondas (fósil de la primera luz emitida en el universo) o las estructuras grandes (distribución de los grupos de galaxia) nos informan sobre las fluctuaciones a escalas espaciales importantes (unos minutos de arco a varios grados).

Los orificios negros primordiales representan una sonda complementaria, en escalas hasta 1050 veces más pequeñas. Los teóricos de la gravedad han mostrado en la década de 1970, que si las fluctuaciones significativas se habían desarrollado en pequeñas escaleras, necesariamente habrían llevado a una formación significativa de agujeros negros. En el entorno extremadamente denso que el universo primordial representado, una mayor detención significativa en comparación con el valor promedio en una región dada conduce al colapso en un agujero negro. Por lo tanto, la ausencia de tales orificios negros impone un límite superior a la amplitud de las fluctuaciones a estos pequeños «tamaños» característicos.

Las fluctuaciones que pueden haber generado agujeros negros primordiales están directamente relacionados con los modelos de inflación cosmológicos. Según estos modelos, el universo experimentó una fase de expansión vertiginosa: inflación, aproximadamente 10-35 segundos después del Big Bang. Durante este breve período, el factor de escala del universo, comparable a su tamaño, habría aumentado vertiginamente, típicamente un factor de 1026.

inflación, introducido a principios de la década de 1980 por Alexei Starobinski, Alan Guth Y Andrei Linde, hoy juega un papel central en la cosmología y ha encontrado una base sólida en la física de partículas. Resuelve lo esencial de los problemas que surgen a gran escala, por ejemplo, explicando por qué el espacio tiene una curvatura muy baja, por lo que es homogéneo de un extremo a la otra de la bóveda celestial, cómo se puede transmitir la información entre áreas remotas. No se observan algunos objetos extraños, pero previstos en las teorías de la unificación.

El escenario de inflación se ha probado gracias a numerosas observaciones cosmológicas, como la medición de anisotrópicos del fondo cosmológico difuso. Esta teoría ahora es compatible con todos los datos de observación. Se han previsto otros mecanismos que producen efectos similares, pero parecen menos convincentes. Las observaciones futuras, en particular aquellas que serán llevadas a cabo por el satélite de Planck, que se lanzará en 2009 por la Agencia Espacial Europea, permitirá probar más modelos de inflación precisión y para allanar el camino para un estudio cuantitativo real de estos escenarios. .

¿Qué información produce los orificios negros primordiales a la inflación? Si este último es una parte integral del modelo estándar de la cosmología, sigue siendo muy difícil probar y caracterizar los detalles de los procesos en el trabajo. Las medidas de la sustancia difusa cosmológica hacen posible tener una primera idea de la energía inicial del campo en el origen de la inflación (el inflaton). De manera complementaria, los orificios negros primordiales proporcionan índices sobre otros parámetros teóricos básicos (en particular la aceleración de este campo) y su ausencia simple restringe el espacio de los valores posibles (en cuanto al hombros hipotecarios, los orificios negros de la hipoteca formados antes de la La inflación, se habrían diluido tan diluido que su población sería despreciable hoy). Además, aunque las restricciones de que estas poses microtrosas negras en ciertos escenarios inflacionarios son cuantitativamente bastante bajos, el hecho de que brindan acceso al espectro primordial de fluctuaciones en un rango de escala espacial. Alrededor de 1050 veces más bajo que las que generalmente se consideran. Relevante: Muy pocos procesos físicos se pueden extrapolar hasta ahora desde el campo donde se miden …

Consecuencias exóticas

-delly fluctuaciones generadas naturalmente por la inflación, muchos otros procesos, más O menos exótico, puede llevar a la formación de microtrosos negros en el universo primordial. Sr. Khlopov y a.g.Polnarev, del Instituto de Ingeniería Física de Moscú, sugirió en 1980 que si hubiera existido una fase de expansión cosmológica durante la cual las partículas no fueron relativistas (la llamada fase de polvo «), la producción de minería negra habría sido reanudado En tal entorno, de hecho, la presión del fluido primordial que confirtora el colapso del agujero negro es menor, de modo que la amplitud de las fluctuaciones necesarias para su formación se vuelve mucho más pequeña.

s. Hawking también se ha mostrado al mismo tiempo que las colisiones de la cuerda cósmica, las estructuras macroscópicas de la hipotética Filiformes de la simetría rota, o las burbujas de «verdadero vacío» (es decir, más estables que el universo circundante y, por lo tanto, definir un estado fundamental real), también deben causar La formación de microtrosos negros.

Estudios recientes han sugerido que estos agujeros negros también podrían afectar la síntesis de los elementos químicos. Los pares de quarks y antiquarques emitidos durante la evaporación de los agujeros negros esenciales fragmentarían de hecho partículas que difundían en el plasma caliente de electrones, fotones y nucleones. Más sorprendentemente, la presencia de agujeros negros primordiales podría modificar la berarragénesis (la aparición de una asimetría entre la materia y la antimateria) al sumergir el universo en un nuevo período «relativista» a través de la emisión de partículas de energía. Los grandes especialistas de la relatividad general, John Barrow, Cambridge y Bernard Carr, de la Universidad de Queen Mary, también señalaron que la historia de la formación de los agujeros negros primordiales conservaría la memoria de una posible variación en el momento de la constante de gravitación. Si fue significativamente diferente en el universo joven, a medida que predecían algunas teorías de unificación, se cambiaría la tasa de entrenamiento del agujero negro.

En general, el estudio de los orificios negros primordiales está vinculada a la comprensión de muchos fenómenos de «nueva física» caracterizando los inicios del universo.

Por el momento, estos microtrosos negros primordiales siguen siendo invisibles … ¡pista, sin embargo, no termina aquí! Los detectores espaciales cada vez más eficientes, como el espectrómetro magnético alfa AMS-II o el espectrómetro gaseoso gaseoso, permitirán en la próxima década buscar la firma de la posible emisión por los agujeros negros, solo protones y antiprotones, sino también antinoyals ligeros (como Antideteron, que consiste en un antiprotón y un anti-lineutron). Esto ganaría un orden de magnitud en la sensibilidad y puede llevar a una primera detección. De hecho, los antiacurrantes de los procesos convencionales (interacciones de protones de radiación cósmica con protones interestelares) tienen energías más grandes que las emitidas por pequeños agujeros negros durante su evaporación.

simultáneamente, los fotones de alta energía (gamma rayos) también forman una interesante firma observacional. Vienen no solo de la emisión directa a través del agujero negro, sino también la desintegración de piezas neutrales. A diferencia de las partículas cargadas, los rayos gamma no se limitan a las galaxias por el campo magnético. Por lo tanto, hacen posible observar galaxias distantes y, por lo tanto, un volumen de universo considerable. Teniendo en cuenta la evolución de la densidad de los agujeros negros a tiempo (porque la evaporación modifica el espectro de emisiones), y una buena caracterización del ruido de fondo vinculado a las galaxias y los núcleos activos de las galaxias, los rayos gamma ofrecen restricciones en la población. de los orificios negros primordiales comparables a la de las antipartículas, pero independientes. Gracias a los satélites futuros, como Fermi, acaba de lanzar, se esperan mejoras considerables de sensibilidad. ¡La búsqueda de microtrosos negros está comenzando!

Más allá de esta dimensión cosmológica, los orificios negros primordiales también son un medio preferido para estudiar la gravitación y la física de las energías altas. En particular, se ha demostrado recientemente que la formación de estos agujeros negros podría seguir las leyes de «fenómenos críticos» en la física estadística. Los colapsos gravitacionales que conducen a microtrosos negros comienzan a ser detenidos en este contexto. Este enfoque podría ser rico en conexiones entre diferentes áreas de investigación aún particionadas.

Los orificios negros primordiales también podrían traer iluminación no publicada en los modelos de física de partículas, tan pronto como su temperatura supere las energías hoy afectadas por los colliders.La energía del colisionador grande de Hadrones LHC, es decir, 14 tameralectronvolts, es equivalente a la temperatura de un agujero negro de 1000 toneladas y 10-21 metros de radio. Una vez que un agujero negro, durante su evaporación, se vuelve más pequeño que este umbral, es una fuente potencial de nuevas partículas más pesadas que las observables en el LHC. Dichas partículas se predicen, por ejemplo, por el modelo supersimétrico que constituye la extensión más natural del modelo estándar de la física de alta energía.

¿Una contribución a la materia oscura?

Finalmente, el microtrés negro primordial tal vez contribuye a la materia oscura. Esta forma de material misterioso e invisible es aproximadamente seis veces más abundante que el material habitual o barilónico. Los agujeros negros primordiales cuya masa sería lo suficientemente alta como para que su evaporación sea despreciable, del orden de un pequeño planeta, tal vez constituya una fracción de este material invisible. Una posibilidad más interesante proviene de los residuos de la evaporación de los agujeros negros primordiales ligeros. Estas reliquias de evaporación, apenas más pesadas que un polvo, pero cuya densidad cerraría 1087 toneladas por centímetro cúbico, podría contribuir a la materia oscura. La prueba de la existencia de estos residuos también sería un gran avance en la comprensión de la gravitación cuántica, el ajuste natural de la descripción del final de la vida de los agujeros negros en el plato. De hecho, si bien la relatividad general de Einstein predice una evaporación completa sin la menor reliquia, muchos modelos de gravedad cuántica sugieren la existencia de estos pequeños «restos» de los agujeros negros.

Aunque no lo son, en el sentido estricto, esencial, otros orificios negros de la masa muy baja, para los cuales la evaporación de la radiación de Hawking es tan importante, también podría resaltarse. En los aceleradores de partículas y luego traería Información crucial sobre la naturaleza del espacio-tiempo (ver el recuadro 48).

Por lo tanto, los agujeros negros microscópicos son objetos en la encrucijada de las teorías de la unificación de la física moderna. Lo que pase con estas teorías, la temperatura, la entropía, la radiación y el acoplamiento de microtrosos negros con las partículas ya han sido un motor potente para la física fundamental. Pero, más allá de sus propiedades intrínsecas, los orificios negros primordiales también son herramientas preferidas para comprender los primeros momentos del universo y probar muchos modelos especulativos en la cosmología. Su estudio es probablemente solo comienzo. A pesar de que nunca llevaría a su detección, probablemente dará a luz a los principales avanzados en física fundamental.

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