Folder: Primordial negru microtros

Găurile negre sunt stadiul final al colapsului gravitațional al materialului. Ele sunt zone ciudate de spațiu-timp în care nimic nu pare să fie capabil să scape. Când reacțiile termonucleare din centrul unei stele suficient de masive încetează lipsa de combustibil, inima se prăbușește brutal pe sine în timp ce plicul explodează în supernova. Nimic nu poate opri procesul: este pe cale să se nască o gaură neagră stelară.

Există și alte tipuri de găuri negre, milioane sau miliarde de vremuri mai masive, care se ascund în centrul galaxiilor și se află la originea celor mai energetice procese ale universului. Inima Calei Lactee, de exemplu, găzduiește o gaură neagră a cărei masă este estimată între două și patru milioane de ori cea a soarelui. Astfel de monștri rezultă probabil din acularea treptată a materialului înconjurător sau a fuziunii găurilor negre inițial născute din moartea stelelor masive. Aceste stele nu mai sunt obiecte exotice, dar sunt o parte integrantă a celor mai buni ai astronomiei moderne.

Acest lucru spune că găurile negre coboară dintr-o stea? Poate nu. Alte tipuri de găuri negre ar fi putut fi instruite direct, prin prăbușirea gravitațională simplă a mediului ultra-dense, în primele momente ale universului, fără a trece prin etapa stelară: găurile primordiale negre.

Obiecte ipotetice, găurile primordiale negre sunt la intersecția celor infinit mari și infinit de mici: mecanica cuantică și relativitatea generală, cosmologia și fizica particulelor, gravitație și termodinamică, sunt necesare simultan pentru a le reține. Experimentele de laborator și observațiile astronomice se completează reciproc în încercarea de a identifica aceste găuri negre mici, care constituie o sondă privilegiată a universului primordial, gravitația cuantice, colapsurile gravitaționale sau fizica energiilor mari. Înțelegerea proceselor de formare și evaluarea numărului lor ar fi o cale privilegiată de acces la primele momente care au urmat Big Bang și ar măsura parametrii inaccesori.

Povestea găurilor primordiale negre începe în 1967, în inima unui deceniu foarte bogat pentru astrofizica teoretică, atunci când fizicianul sovietic Yakov Zeldovich și-a imaginat că mici găuri negre au putut să se formeze în universul primordial, imediat după Big Bang. Potrivit lui, densitatea foarte mare care a domnit apoi a fost favorabilă apariției unor astfel de obiecte cosmologice. O regiune de spațiu cu suprasolicitare suficientă ar fi probabil să se prăbușească sub efectul unei severități proprii pentru a forma o gaură neagră fără existența oricărei stele. Dimensiunea acestor așa-numite găuri negre primordiale este limitată de cauzalitate: în primele momente ale cosmosului, punctele prea îndepărtate nu au avut timp să interacționeze și, a fortiori, să se prăbușească. Astfel, o gaură neagră a format aproximativ 10-21 de secunde după ce Big Bang ar avea o rază de abia de un milimetru și o masă maximă de ordinul a 1014 kilograme (echivalent cu o minge de plumb cu trei kilometri de rază ). O „greutate de pene” față de găurile negre stelare convenționale, de ordinul câtorva mase solare!

Nu este atât de negru găuri

faptul că găurile negre de masă foarte scăzută pot exista stimulente fizicianul Stephen Hawking să fie interesat de proprietățile lor cuantice. Surprizele nu au fost mai mici! În 1972, Jacob Bekenstein tocmai a sugerat că găurile negre au o entropie, adică conținutul informațiilor, proporțional cu zona orizontului lor (granița care chiar și lumina nu poate scăpa de influența lor gravitațională). Mai spectaculos din nou a fost descoperirea că, contrar intuiției, găurile negre se evaporă! Mecanismul propus de S. Hawking, conjugatul mecanic cuantic și gravitarea. În vidul cuantum, perechile de particule și antiparticulele sunt create constant și neunihilate aproape imediat. Cu toate acestea, dacă această creație are loc foarte aproape de orizontul unei găuri negre, cele două particule vor fi separate de gradientul considerabil al câmpului gravitațional, unul care aruncă în gaura neagră și celălalt scăpând spre „afară. Cu alte cuvinte, o gaură neagră nu este destul de negru: radiază particulele!

Descoperirea acestei radiații a iluminat problema entropiei introduse de J. Bekenstein: entropia fiind asociată cu căldura, însuși asociată cu radiația, este natural că găurile negre, care au și entropie, de asemenea au o temperatură non-zero și radiază un flux termic.

Proprietățile temperaturii găurilor negre sunt, totuși, singulare. Paradoxal, temperatura crește pe măsură ce gaura neagră pierde din masă și, prin urmare, energia. În plus, temperatura (și radiația) este aproape zero pentru o gaură neagră stelară sau mai solidă, în timp ce poate atinge cea mai mare valoare posibilă – temperatura planck, adică 1032 kelvinși – pentru o gaură neagră a masei de praf! În cele din urmă, ecuația elegantă care definește temperatura, T = HC3 / 8πGM, combină toate constantele fundamentale ale fizicii (C, viteza luminii, H, constanta planck, g, constanta gravitației și k constantei lui Boltzman), Testând că radiația Hawking este un fenomen la intersecția tuturor ramurilor fizicii.

Această descoperire a pavat calea pentru un câmp nou, termodinamica găurilor negre. De asemenea, a condus la evidențierea unei alte enigma: Ce se întâmplă cu informațiile? Dacă radiația emisă pierde, ca și presupunerea Hawking, orice memorie a obiectelor care au participat la formarea și creșterea gaurii negre, informațiile pe care le poartă par a fi pierdute iremediabil. O astfel de situație contravine principiilor fundamentale ale mecanicii cuantice! Teoria șirurilor și gravitației cuantice cu bucle, cele două melodii cele mai promițătoare pentru a reconcilia relativitatea generală și mecanica cuantică, fac posibilă rezolvarea acestor contradicții și pentru a da sens informațiilor „ascunse”. Studiul microtrului negru poate să le pună, probabil, la test și, mai presus de toate, stabilind repere în această căutare pentru teoria unificată.

Cele mai masive evaporate astăzi

dar cum să le observăm? În timp ce găurile negre masive pot fi detectate de influența gravitațională, ei își exercită asupra cartierului lor, pentru a evidenția negru microt, trebuie să profitați de faptul că nu sunt tocmai … nu negru! În timpul nostru, unele găuri negre primordiale ar putea fi în continuare evaporate. Radiația lui Hawking este într-adevăr cu atât mai intensă, deoarece găurile negre sunt ușoare. Dacă durează puțin mai mult decât vârsta Universului la o gaură neagră a masei unui munte care să dispară complet, doar câteva secunde sunt suficiente pentru o gaură neagră ca lumină ca un deal mic pentru a dispărea. Evaporarea unei gaurei negre primordiale a unei mase inițiale de aproximativ 100 de kilograme nu ar fi finalizată astăzi. Prin urmare, ar putea fi detectată.

Interacțiunea gaurei negre cu perechile de particule și antiparticulele care apar în vecinătatea orizontului său fiind, în esență gravitațională, cât mai multă antimaterie și materie trebuie să fie, în medie, prin radiații Hawking. Emisia unei cantități mici de materie de o gaură neagră ar merge total neobservată, dar este alternativ pentru aceeași cantitate de antimaterie. Deoarece este într-adevăr foarte rară în galaxie, o supraabundență, chiar minimă, ar fi ușor evidențiată.

În anii 1980, Jane MacGibon, la Universitatea din Cambridge, a reușit să modeleze spectrul de emisie caracteristice și să prezică în mod fiabil producția de protoni și antiprotoni de găurile primordiale negre. Acum, antiprotonii sunt puțini dintre razele cosmice care crissscring spațiul interstelar: cel mult unul pentru 10.000 de protoni. Existența unei populații scăzute de găuri negre primordiale ar fi suficientă pentru a depăși această limită de observație. Prin urmare, este un instrument de detectare foarte sensibil. Cu toate acestea, pentru a caracteriza zgomotul de fundal – antiprotonii provenind din mai multe procese „clasice”. Acest lucru este posibil numai de atunci, deoarece acest lucru necesită o înțelegere detaliată a dinamicii galactice, modelarea complexă a proceselor nucleare și, mai presus de toate, multe date experimentale care au fost obținute recent.

Mai multe detectoare de raze cosmice scrutinizează domeniul energetic relevant pentru a studia acest fenomen (de ordinul gigaelectronvolului), în special detectoare de baloane cum ar fi Bess sau observatoare spațiale, cum ar fi AMS.

Cu toate acestea, nici o supraabundență de antimaterie nu a fost încă evidențiată. Densitatea găurilor negre primordiale, dacă există, este, prin urmare, neapărat derizorie: nu poate depăși câteva miliarde din masa totală a universului. Contribuția oricărei alte forme de materie a fost constrânsă ca fiind puternică până acum.

Constrângeri pe fluctuații foarte mici la scară

Aceste rezultate, pentru moment negativ, sunt totuși foarte interesante. Ele aduc informații importante cu privire la condițiile dominante în primele momente ale universului.Chiar dacă, de fapt, nu au existat găuri negre primordiale, simpla lor absență aduce deja, de la sine, o constrângere puternică și fără precedent asupra fluctuațiilor din Universul Primordial.

Aceste fluctuații joacă un rol central în înțelegerea istoriei universului. Din ele fiind probabil că au dezvoltat galaxiile care structurează astăzi cosmosul și originea lor derivă din procesele cuantice care trebuiau să prevaleze în primele momente.

Observatele convenționale ale cosmologiei, cum ar fi difuzul cu microunde (fosile de la prima lumină emisă în univers) sau structurile mari (distribuția grupurilor Galaxia) ne informează despre fluctuații la scale spațiale importante (câteva minute de arc la mai multe grade).

Găurile negre primordiale reprezintă o sondă complementară, la scale de până la 1050 de ori mai mici. Teoreoriștii gravitației au arătat într-adevăr în anii 1970 că, dacă s-au dezvoltat fluctuații semnificative la scările mici, ar fi trebuit neapărat o formare semnificativă de găuri negre. În mediul extrem de dens, universul primordial reprezentat, o suprascresitate semnificativă în comparație cu valoarea medie într-o anumită regiune duce la prăbușirea în ea într-o gaură neagră. Absența unor astfel de găuri negre impune, prin urmare, o limită mai mare decât amplitudinea fluctuațiilor la aceste „dimensiuni” mici.

Fluctuațiile care au generat găuri negre primordiale sunt direct legate de modelele de inflație cosmologice. Potrivit acestor modele, universul a cunoscut o fază de expansiune vertiginală – inflație – aproximativ 10-35 de secunde după Big Bang. În această scurtă perioadă, factorul de scară al universului – comparabil cu dimensiunea sa – ar fi crescut în mod vertiginos, de obicei un factor de 1026.

inflație, introdus la începutul anilor 1980 de Alexei Starobinski, Alan Guth Și Andrei Linde, astăzi joacă un rol central în cosmologie și a găsit o fundație solidă în fizica particulelor. Rezolvă esențialele problemelor care apar pe scară largă, de exemplu prin explicarea de ce spațiul are o curbură foarte scăzută, de ce este omogen de la un capăt la celălalt de seiful ceresc, cum ar putea fi transmise informații între zonele îndepărtate , sau de ce nu sunt observate unele obiecte ciudate, dar prevăzute în teoriile de unificare.

Scenariul de inflație a fost testat datorită numeroaselor observații cosmologice, cum ar fi măsurarea anizotropei a fundalului difuz al cosmologic. Această teorie este acum compatibilă cu toate datele observaționale. Alte mecanisme care produc efecte similare au fost avute în vedere, dar ele par mai puțin convingătoare. Observațiile viitoare, în special cele care vor fi efectuate de Satelitul Planck, care vor fi lansate în 2009 de către Agenția Spațială Europeană, vor face posibilă testarea unor modele de inflație mai precis și pentru a deschide calea pentru un studiu cantitativ real al acestor scenarii .

Ce informații aduc găurile primordiale negre la inflație? Dacă acesta din urmă este o parte integrantă a modelului standard de cosmologie, rămâne foarte dificil de testat și caracterizează detaliile proceselor la locul de muncă. Măsurile substanței difuze cosmologice fac posibilă faptul că este posibilă o primă idee despre energia inițială a câmpului la originea inflației (inflaton). În mod complementar, găurile primordiale neagră oferă indicii asupra altor parametri teoretici de bază (în special accelerarea acestui câmp) și absența lor simplă construiește spațiul valorilor posibile (în ceea ce privește găurile negre ipotecare ipotecare formate înainte de Inflația, ar fi fost așa de diluată de faptul că populația lor ar fi neglijabilă astăzi). În plus, deși constrângerile că aceste poziții microtene negre asupra anumitor scenarii inflaționiste sunt destul de scăzute, faptul că acestea oferă acces la spectrul primordial al fluctuațiilor într-o gamă de scară spațială. Aproximativ 1050 de ori mai mici decât cele considerate de obicei pentru a le face relevante: foarte puține procese fizice pot fi extrapolate până în prezent de la câmpul în care sunt măsurate …

Consecințe exotice

– Fluctuațiile generale generate în mod natural de inflație, multe alte procese, mai mult Sau mai puțin exotic, poate duce la formarea de microtros negru în universul primordial. Dl Khlopov și a.g.Polnarev, de la Institutul de Inginerie Fizică a Moscovei, a sugerat în 1980 că, dacă ar fi existat o fază de extindere cosmologică în timpul căreia particulele au fost non-relativiste (așa-numita „fază de praf”), ar fi fost producția de minerit negru reluate. Într-un astfel de mediu, într-adevăr, presiunea fluidului primordial pe care colapsul colapsului negru este mai mic, astfel încât amplitudinea fluctuațiilor necesare pentru formarea lor devine mult mai mică.

s. Hawking a arătat, de asemenea, în același timp cu coliziunile cosmice, structurile macroscopice de ipotetică filă de la simetrie rupte sau bule de „goale adevărate” (adică mai stabilă decât universul înconjurător și, prin urmare, definirea unui stat real fundamental), ar trebui, de asemenea, să provoace formarea microtrului negru.

Studiile recente au sugerat că aceste găuri negre ar putea afecta, de asemenea, sinteza elementelor chimice. Perechi de cuarci și antickarks emise în timpul evaporării găurilor neagră esențiale ar fragmente de fapt particulele care ar difuza pe plasma fierbinte de electroni, fotoni și nucleoni. Mai uimitor, prezența găurilor primordiale neagră ar putea modifica bariogeneza (apariția unei asimetrii între materie și antimaterie) prin prăbușirea universului într-o nouă perioadă „relativistă” prin emisia de particule energetice. Marele specialiști ai relativității generale, John Barrow, Cambridge și Bernard Carr, de la Universitatea din Regina Maria, au subliniat, de asemenea, că istoria formării găurilor negre primordiale ar păstra memoria unei posibile variații în timpul Gravitație constantă. Dacă a fost semnificativ diferit în universul tânăr, deoarece unele teorii de unificare prevăd, rata de antrenament a gaului negru ar fi schimbată.

În general, studiul găurilor primordiale negru este legat de înțelegerea multor fenomene de „fizica nouă” care caracterizează începuturile universului.

Pentru moment, aceste microtode primordiale negre rămân totuși invizibile … Track, totuși, nu se termină aici! Detectoarele spațiale din ce în ce mai eficiente, cum ar fi spectrometrul magnetic alfa AMS-II sau spectrometrul gazos gazos, vor permite în următorul deceniu să caute semnătura emisiilor posibile de orificiile negre fie numai protoni și antiprotonii, dar și antinoizi de lumină (cum ar fi antideteron, constând dintr-un antiproton și un anti-lineutetron). Acest lucru ar câștiga un ordin de mărime în sensibilitate și poate duce la o primă detectare. Într-adevăr, anti-plictisitoare din procesele convenționale (interacțiuni ale protonilor de radiații cosmici cu protoni interstelară) au energii mai mari decât cele emise de găuri negre mici în timpul evaporării lor.

simultan, fotonii de energie înaltă (raze gamma) formează, de asemenea, o semnătură de observare interesantă. Ele vin nu numai de la emisia directă prin gaura neagră, ci și dezintegrarea pieselor neutre. Spre deosebire de particulele încărcate, razele gamma nu sunt limitate la galaxii de câmpul magnetic. Prin urmare, ele fac posibilă observarea galaxiilor îndepărtate și, prin urmare, un volum de universul considerabil. Luând în considerare evoluția densității găurilor negre în timp (deoarece evaporarea modifică spectrul de emisii) și o bună caracterizare a zgomotului de fundal legat de galaxii și nucleele active a galaxiilor, razele gamma oferă constrângeri asupra populației a găurilor negre primordiale comparabile cu cele ale antiparticulelor, dar independente. Datorită viitoarelor sateliți, cum ar fi Fermi, au fost lansate, sunt așteptate îmbunătățiri considerabile de sensibilitate. Căutarea pentru microtrul negru este doar începutul!

Dincolo de această dimensiune cosmologică, găurile primordiale negre sunt, de asemenea, un mijloc preferat pentru studierea gravitației și a fizicii energiilor înalte. În special, sa demonstrat recent că formarea acestor găuri negre ar putea urma legile „fenomenelor critice” în fizica statistică. Colag-urile gravitaționale care duc la microtous negru încep să fie reținute în acest context. Această abordare ar putea fi bogată în conexiuni între diferite domenii de cercetare încă împărțite.

Găurile negre primordiale ar putea aduce, de asemenea, iluminare nepublicată pe modelele de fizică a particulelor, de îndată ce temperatura lor depășește energiile astăzi afectate de colliere.Energia coliziunii mari a lui Hadrons LHC, adică 14 teraelectronizii, este echivalentă cu temperatura unei găuri negre de 1000 de tone și 10-21 metri de rază. Odată ce o gaură neagră, în timpul evaporării sale, devine mai mică decât acest prag, este o sursă potențială de particule noi mai grele decât cele observabile la LHC. Astfel de particule sunt prezise, de exemplu, de modelul superymmetric care constituie cea mai naturală extindere a modelului standard de fizică de înaltă energie.

o contribuție la materia întunecată?

În cele din urmă, microtrul negru primordial poate contribui, probabil, la materia întunecată. Această formă de material misterios și invizibil este de aproximativ șase ori mai abundentă decât materialul obișnuit sau baryonic. Găurile negre primordiale ale căror masa ar fi suficient de mare pentru ca evaporarea lor să fie neglijabilă – de ordinul unei planete mici – poate constitui o fracțiune din acest material invizibil. O posibilitate mai interesantă provine din reziduurile de evaporare a găurilor negre primordiale ușoare. Aceste relicve de evaporare, abia mai grele decât praful, dar ale căror densitate ar închide 1087 de tone pe centimetru cub, ar putea contribui la materia întunecată. Dovada existenței acestor reziduuri ar fi, de asemenea, o descoperire majoră în înțelegerea gravitației cuantice, a stabilirii naturale a descrierii sfârșitului vieții găurilor negre la plajă. Într-adevăr, în timp ce relativitatea generală a lui Einstein prezice evaporarea completă fără cea mai mică relicvă, multe modele de severitate cuantică sugerează existența acestor „rămășițe” mici de găuri negre.

Deși nu sunt, în sens strict, esențiale, alte găuri negre de masă foarte scăzută, pentru care evaporarea radiațiilor Hawking este la fel de importantă, ar putea fi evidențiată și în acceleratoare de particule și apoi ar aduce Informații esențiale despre natura timpului spațial (a se vedea caseta 48).

Astfel, găurile negre microscopice sunt obiecte la intersecția teoriilor de unificare a fizicii moderne. Orice se întâmplă cu aceste teorii, temperatura, entropia, radiația și cuplajul negru microtrului cu particulele au fost deja un motor puternic pentru fizica fundamentală. Dar, dincolo de proprietățile lor intrinseci, găurile primordiale negre sunt, de asemenea, instrumente preferate pentru a înțelege primele momente ale universului și pentru a testa multe modele speculative în cosmologie. Studiul lor este probabil doar începutul. Chiar dacă nu ar conduce niciodată la detectarea lor, probabil va da naștere majorelor avansate în fizica fundamentală.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *