Pasta: Microterro preto primordial

Os buracos negros são o estágio final do colapso gravitacional do material. Eles são estranhas áreas de espaço-tempo que nada parece ser capaz de escapar. Quando as reações termonucleares no centro de uma estrela suficientemente maciça cessam por falta de combustível, o coração entra em colapso brutalmente, enquanto o envelope exploda na supernova. Nada pode parar o processo: um buraco negro estelar está prestes a nascer.

Existem outros tipos de buracos negros, milhões ou bilhões de tempos mais massivos, que se escondem no centro das galáxias e estão na origem dos processos mais energéticos do universo. O coração da Via Láctea, por exemplo, é o lar de um buraco negro cuja massa é estimada entre dois e quatro milhões de vezes a do sol. Tais monstros provavelmente resultam da acreção gradual do material circundante ou da fusão de buracos negros inicialmente nascidos da morte de estrelas massivas. Essas estrelas não são mais objetos exóticos, mas são parte integrante do Bestiário Celestial da Astronomia Moderna.

Isso diz que os buracos negros descem de uma estrela? Talvez não. Outros tipos de buracos negros poderiam ter treinado diretamente, pelo simples colapso gravitacional do ambiente ultra-denso, durante os primeiros momentos do universo, sem passar pelo estágio estelar: os buracos negros primordiais.

Objetos hipotéticos, os buracos negros primordiais estão na encruzilhada do infinitamente grande e infinitamente pequeno: mecânica quântica e a relatividade geral, cosmologia e física de partículas, gravitação e termodinâmica, são simultaneamente necessárias para apreendê-las. Experimentos de laboratório e observações astronômicas se complementam ao tentar identificar esses minúsculos buracos negros, que constituem uma sonda privilegiada do universo primordial, gravitação quântica, colapsos gravitacionais ou a física de altas energias. Entendendo os processos de treinamento e avaliando seu número seria um caminho privilegiado de acesso aos primeiros momentos que se seguiram ao Big Bang e mediriam parâmetros inacessíveis.

A história dos buracos negros primordiais começa em 1967, no coração de uma década muito rica para a astrofísica teórica, quando o físico soviético Yakov Zeldovich imaginou que pequenos buracos negros foram capazes de se formar no universo primordial, logo após o Big Bang. Segundo ele, a densidade muito alta reinada foi favorável à aparência de tais objetos cosmológicos. Uma região de espaço com superduens suficientes provavelmente colapsaria sob o efeito de sua própria gravidade para formar um buraco negro sem a existência de qualquer estrela. O tamanho destes os chamados buracos negros primordiais é limitado por causalidade: nos primeiros momentos do cosmos, pontos muito distantes não tiveram tempo para interagir, e, a fortiori, colapso. Assim, um buraco negro formou cerca de 10-21 segundos depois que o Big Bang teria um raio de apenas um bilionésimo de milímetro e uma massa máxima da ordem de 1014 quilogramas (equivalente à de uma bola de chumbo de perto a três quilômetros de raio ). Um “peso da pena” em relação aos buracos negros estelares convencionais, da ordem de algumas massas solares!

Não é tão preto Buracos

O fato de que os orifícios negros de massa muito baixa podem existir incentivo ao físico Stephen Hawking para se interessar em suas propriedades quânticas. Surpresas não eram menores! Em 1972, Jacob Bekenstein acabara de sugerir que os buracos negros têm uma entropia, isto é, conteúdo de informação, proporcional à área de seu horizonte (a fronteira além do qual até a luz não pode escapar de sua influência gravitacional). Mais espetacular novamente foi a descoberta que, contrária à intuição, buracos negros evaporar! O mecanismo, proposto por S. Hawking, conjugado mecânico quântico e gravitação. No vácuo quântico, pares de partículas e antipartículas são constantemente criados e não enigilhados quase imediatamente. No entanto, se esta criação tiver lugar muito perto do horizonte de um buraco negro, as duas partículas serão separadas pelo gradiente considerável do campo gravitacional, um mergulhar no buraco negro e outro escapando para o exterior. Em outras palavras, um buraco negro não é bastante preto: ele irradia partículas!

A descoberta dessa radiação iluminou o problema da entropia introduzida por J. Bekenstein: a entropia que está associada ao calor, a si mesma associada à radiação, é natural que os orifícios negros, também tem uma temperatura diferente de zero e irradiar um fluxo térmico.

As propriedades da temperatura dos orifícios negros são, no entanto, singular. Paradoxalmente, a temperatura aumenta à medida que o buraco negro perde a partir da massa e, portanto, energia. Além disso, a temperatura (e a radiação) é quase zero para um buraco negro estelar ou mais sólido, enquanto pode atingir o maior valor possível – a temperatura do Planck, ou seja, 1032 Kelvins – para um buraco negro da massa de uma poeira! Finalmente, a elegante equação que define a temperatura, T = HC3 / 8πkgm, combina todas as constantes fundamentais da física (C, a velocidade da luz, H, a constante de Planck, G, a constante de gravitação e a constante de K the Boltzman), Testificando que a radiação de Hawking é um fenômeno na interseção de todos os ramos da física.

Esta descoberta abriu o caminho para um novo campo, a termodinâmica de buracos negros. Ela também levou a destacar outro enigma: o que acontece com a informação? Se a radiação emitida perde, como supõe a hawking, qualquer memória dos objetos que participaram da formação e crescimento do buraco negro, as informações que usam parece irremediavelmente perdidas. Tal situação contradiz os princípios fundamentais da mecânica quântica! A teoria das cordas e a gravidade quântica com loops, as duas faixas mais promissoras para reconciliar a relatividade geral e a mecânica quântica, tornam possível resolver essas contradições e dar sentido à informação “oculta”. O estudo do microrotro preto pode talvez colocá-los ao teste e, acima de tudo, definindo marcos nesta busca pela teoria unificada.

O mais massivo evapora hoje

mas como observá-los? Enquanto os maciços buracos negros podem ser detectados pela influência gravitacional, eles se exercitam sobre sua vizinhança, para destacar microtrosos negros, você tem que aproveitar o fato de que eles não são precisamente … não são negros! Em nosso tempo, alguns buracos negros primordiais ainda poderiam ser evaporados. A radiação de Hawking é de fato ainda mais intensa que os buracos negros são leves. Se demorar um pouco mais do que a idade do universo para um buraco negro da massa de uma montanha para desaparecer completamente, apenas alguns segundos são suficientes para um buraco negro enquanto uma pequena colina para desaparecer. A evaporação de um buraco negro primordial de uma massa inicial de cerca de 100 bilhões de quilogramas não seria concluída hoje. Poderia, portanto, ser detectado.

A interação do buraco negro com os pares de partículas e antipartículos que aparecem nas proximidades de seu horizonte essencialmente gravitacional, tanto quanto a matéria e matéria devem, em média, ser emitidas pela radiação Hawking. A emissão de uma pequena quantidade de matéria por um buraco negro seria totalmente despercebida, mas é alternativamente para a mesma quantidade de antimatéria. Como é de fato muito raro na galáxia, uma superabundância, mesmo mínima, seria facilmente destacada.

Na década de 1980, Jane Macgibbon, na Universidade de Cambridge, conseguiu modelar o espectro de emissão característico e para prever de forma confiável a produção de prótons e antiprótons pelos buracos negros primordiais. Agora os antiprótons são poucos entre os raios cósmicos que se cruzam o espaço interestelar: no máximo um para 10.000 prótons. A existência de baixa população de buracos negros primordiais seria suficiente para exceder esse limite de observação. Portanto, é uma ferramenta de detecção muito sensível.

No entanto, caracterizar o ruído de fundo – antiprótons emanando de mais processos “clássicos”. Isso só é possível desde recentemente, pois isso requer uma compreensão detalhada da dinâmica galáctica, modelagem complexa do processo de física nuclear, e, acima de tudo, muitos dados experimentais que só foram alcançados recentemente.

Vários detectores de raios cósmicos examinam o domínio energético relevante para estudar este fenômeno (da ordem de gigaelectronvolvolt), em particular detectores de balão, como BESS ou observatórios espaciais, como o AMS.

No entanto, nenhuma superabundância antimatéria ainda foi destacada. A densidade de buracos negros primordiais, se existirem, é, portanto, necessariamente derante: não pode exceder alguns bilhões da massa total do universo. A contribuição de qualquer outra forma de matéria foi restrita tão forte até agora.

Restrições em flutuações de escala muito pequena

Estes resultados, para o momento negativo, são muito interessantes. Eles trazem informações importantes sobre as condições reinando nos primeiros momentos do universo.Mesmo assim, na verdade, não havia buracos negros primordiais, sua mera ausência já traz, por si só, uma restrição forte e sem precedentes sobre flutuações no universo primordial.

Estas flutuações desempenham um papel central na compreensão da história do universo. É deles que eles provavelmente são desenvolvidos as galáxias que hoje estruturam o cosmos e sua origem deriva dos processos quânticos que tiveram que prevalecer nos primeiros momentos.

Os observáveis convencionais da cosmologia, como a micro-ondas difusa (fóssil da primeira luz emitida no universo) ou as grandes estruturas (distribuição dos clusters da Galaxia) nos informam sobre flutuações a importantes escalas espaciais (alguns minutos de arco a vários graus).

Os buracos negros primordiais representam uma sonda complementar, em escalas até 1050 vezes menores. Os teóricos da gravidade são de fato mostrados na década de 1970 que, se as flutuações significativas se desenvolveram em pequenas escadas, elas necessariamente levaram a uma formação significativa de buracos negros. No ambiente extremamente denso que o universo primordial representado, uma superdensidade significativa em comparação com o valor médio em uma determinada região leva ao colapso nela em um buraco negro. A ausência de tais buracos negros, portanto, impõe um limite superior à amplitude das flutuações a estes minúsculos “tamanhos” característicos.

Flutuações que podem ter gerado orifícios negros primordiais estão diretamente relacionados a modelos de inflação cosmológicos. De acordo com esses modelos, o universo experimentou uma fase de expansão vertiginosa – inflação – cerca de 10-35 segundos após o Big Bang. Durante este breve período, o fator de escala do universo – comparável ao seu tamanho – teria aumentado vertiginosamente, tipicamente um fator de 1026.

inflação, introduzido no início dos anos 80 por Alexei Starobinski, Alan Guth E Andrei Linde, hoje desempenha um papel central na cosmologia e encontrou uma base sólida na física de partículas. Isso resolve os elementos essenciais dos problemas que surgem em grande escala, por exemplo, explicando por que o espaço tem uma curvatura muito baixa, por que é homogênea de uma extremidade para a outra do cofre celestial, como a informação pode ser transmitida entre áreas remotas , ou por que alguns objetos estranhos, mas previstos nas teorias da unificação, não são observados.

O cenário de inflação foi testado graças a numerosas observações cosmológicas, como a medição de anisotropics do fundo difuso cosmológico. Essa teoria é agora compatível com todos os dados observacionais. Outros mecanismos que produzem efeitos semelhantes foram previstos, mas parecem menos convincentes. Observações futuras, em particular as que serão realizadas pelo Satélite da Planck, que serão lançadas em 2009 pela Agência Espacial Europeia, permitirá testar modelos mais precisamente inflacionários e abrir caminho para um estudo quantitativo real desses cenários .

Quais informações os buracos pretos primordiais trazem para a inflação? Se o último for parte integrante do modelo padrão de cosmologia, permanece muito difícil testar e caracterizar os detalhes dos processos no trabalho. As medidas da substância difusa cosmológica tornam possível ter uma primeira ideia da energia inicial do campo na origem da inflação (inflatão). De forma complementar, os buracos negros primordiais fornecem índices sobre outros parâmetros teóricos básicos (em particular a aceleração deste campo) e sua simples ausência restringe o espaço dos valores possíveis (quanto aos buracos negros hipotecados e hipotecejados formados antes do inflação, eles teriam sido tão diluídos que sua população seria insignificante hoje). Além disso, embora os restrições que esses microtrosos negros cola em certos cenários inflacionários são quantitativamente bastante baixos, o fato de que eles fornecem acesso ao espectro primordial de flutuações em uma variedade de escala espacial. Cerca de 1050 vezes menor do que as geralmente consideradas relevante: Muito poucos processos físicos podem ser extrapolados até agora do campo onde são medidos …

conseqüências exóticas

-delly flutuações naturalmente geradas pela inflação, muitos outros processos, mais ou menos exótico, pode levar à formação de microtrosos negros no universo primordial. Sr. Khlopov e A.G.Polnarev, do Instituto de Engenharia Física de Moscou, sugeriu em 1980 que, se tivesse existido uma fase de expansão cosmológica durante a qual as partículas eram não-relativistas (chamadas fase de pó “), a produção de mineração preta teria sido retomado. Em tal ambiente, de fato, a pressão do fluido primordial que contestiva o colapso do buraco negro é menor, de modo que a amplitude das flutuações necessárias para sua formação se torne muito menor.

s. Hawking também mostrou ao mesmo tempo que colisões de corda cósmica, estruturas macroscópicas hipotéticos filiformes da simetria quebrados, ou bolhas de “verdadeiro vazio” (isto é, mais estável do que o universo circundante e, portanto, definir um estado fundamental real), também deve causar a formação de microtrosos negros.

Os estudos recentes sugeriram que esses buracos negros também pudessem afetar a síntese dos elementos químicos. Pares de quarks e antiquarks emitidos durante a evaporação de buracos negros essenciais fragmentariam de fato partículas que se difundiriam no plasma quente de elétrons, fótons e núcleos. Mais surpreendente, a presença de buracos negros primordiais poderia modificar a baryogênese (a aparência de uma assimetria entre matéria e antimatéria), mergulhando o universo em um novo período “relativístico” através da emissão de partículas de energia. Os grandes especialistas da relatividade geral, John Barrow, Cambridge e Bernard Carr, da Universidade da Rainha Maria, também apontaram que a história da formação dos buracos negros primordiais reteria a memória de uma possível variação no tempo do Constante de gravitação. Se fosse significativamente diferente no universo jovem, como algumas teorias de unificação prevêem, a taxa de treinamento do buraco negro seria alterada.

Mais Geralmente, o estudo dos buracos negros primordiais está ligado à compreensão de muitos fenômenos da “nova física” que caracterizam o começo do universo.

Por tempo, estes microtrosos pretos primordiais permanecem no entanto invisíveis … Acompanha, no entanto, não termina aqui! Detectores espaciais cada vez mais eficientes, como o espectrômetro magnético alfa ams-II ou espectrômetro gasoso gasoso, permitirá na próxima década para procurar a assinatura da possível emissão pelos buracos negros, seja apenas prótons e antiprótons, mas também antinoals leves (tais como antideterona, consistindo de um antiproton e um anti-lineutron). Isso ganharia uma ordem de magnitude na sensibilidade e pode levar a uma primeira detecção. De fato, anti-carrebros de processos convencionais (interações de prótons de radiação cósmica com prótons interestelares) têm maiores energias do que as emitidas por pequenos buracos negros durante sua evaporação.

Simultaneamente, os fótons de alta energia (raios gama) também formam uma interessante assinatura observacional. Eles vêm não apenas da emissão direta através do buraco negro, mas também a desintegração de peças neutras. Ao contrário das partículas carregadas, os raios gama não estão confinados a galáxias pelo campo magnético. Eles, portanto, possibilitam observar galáxias distantes e, portanto, um volume de universo considerável. Tendo em conta a evolução da densidade dos orifícios negros no tempo (porque a evaporação modifica o espectro de emissão), e uma boa caracterização do ruído de fundo ligado às galáxias e aos núcleos ativos das galáxias, os raios gama oferecem restrições sobre a população dos buracos negros primordiais comparáveis aos de antipartículas, mas independente. Graças a futuros satélites, como Fermi, basta ser lançado, melhorias de sensibilidade consideráveis são esperadas. A busca por microtras negra está apenas começando!

Além dessa dimensão cosmológica, os orifícios prolongados são também um meio preferido para estudar a gravitação e a física de altas energias. Em particular, foi recentemente demonstrado que a formação desses buracos negros poderia seguir as leis de “fenômenos críticos” na física estatística. Colapsos gravitacionais levando a microtrosos pretos começam a ser apreendidos neste contexto. Essa abordagem pode ser rica em conexões entre diferentes áreas de pesquisa ainda particionadas.

Buracos negros primordiais também podem trazer iluminação inédita em modelos de física de partículas, assim que sua temperatura exceder as energias hoje afetadas por colateras.A energia do grande colisor de Hadrons LHC, ou seja, 14 Teralectos, é equivalente à temperatura de um buraco negro de 1000 toneladas e 10-21 metros de raio. Uma vez que um buraco negro, durante sua evaporação, torna-se menor que este limiar, é uma fonte potencial de novas partículas mais pesadas do que as observáveis no LHC. Essas partículas são previstas, por exemplo, pelo modelo supersimétrico que constitui a extensão mais natural do modelo padrão de física de alta energia.

uma contribuição para a matéria escura?

Finalmente, o microtro preto primordial talvez contribua para a matéria escura. Esta forma de material misterioso e invisível é cerca de seis vezes mais abundantes do que o material habitual – ou beião. Buracos pretos primordiais cuja massa seria alta o suficiente para a sua evaporação ser insignificante – da ordem daquela de um minúsculo planeta – talvez constitua uma fração deste material invisível. Uma possibilidade mais interessante vem dos resíduos da evaporação de furos negros primordiais. Essas relíquias de evaporação, mal mais pesadas que uma poeira, mas cuja densidade fecharia 1087 toneladas por centímetro cúbico, poderia contribuir para a matéria escura. A prova da existência desses resíduos também seria um grande avanço na compreensão da gravitação quântica, cenário natural da descrição do fim da vida de buracos negros no plack. De fato, enquanto a relatividade geral de Einstein prevê a completa evaporação sem a menor relíquia, muitos modelos de gravidade quântica sugerem a existência desses minúsculos “remanescentes” de buracos negros.

Embora não estejam, no sentido estrito, essencial, outros buracos negros de massa muito baixa, para os quais a evaporação de radiação de Hawking é tão importante, também poderia ser destacada. Em aceleradores particulados e, em seguida, traria informações cruciais sobre a natureza do espaço-tempo (veja a caixa 48).

Assim, os furos negros microscópicos são objetos na encruzilhada das teorias da unificação da física moderna. O que quer que aconteça com essas teorias, a temperatura, a entropia, a radiação e o acoplamento do microtro preto com as partículas já foram um motor poderoso para a física fundamental. Mas, além de suas propriedades intrínsecas, os buracos negros primordiais também são ferramentas preferenciais para entender os primeiros momentos do universo e testam muitos modelos especulativos em cosmologia. Seu estudo provavelmente está apenas começando. Mesmo que nunca leve a sua detecção, provavelmente dará à luz grande avançado na física fundamental.

Deixe uma resposta

O seu endereço de email não será publicado. Campos obrigatórios marcados com *