Микрочерная дыра

Микрочерные дыры , также называемые мини-черными дырами или квантово-механическими черными дырами , представляют собой гипотетические крошечные (<1 M _☉ ) черные дыры , для которых квантово-механические эффекты играют важную роль. Идея о том, что могут существовать черные дыры, меньшие по массе звезды , была выдвинута в 1971 году Стивеном Хокингом .

Вполне возможно, что такие черные дыры были созданы в высокоплотной среде ранней Вселенной (или Большого взрыва ) или, возможно, в результате последующих фазовых переходов (называемых первичными черными дырами ). Астрофизики могли бы наблюдать их через частицы, которые они, как ожидается, испускают излучением Хокинга .

Некоторые гипотезы, включающие дополнительные измерения пространства , предсказывают, что микрочерные дыры могут образовываться при энергиях вплоть до ТэВного диапазона, которые доступны в ускорителях частиц , таких как Большой адронный коллайдер . Затем были высказаны опасения по поводу сценариев конца света (см. « Безопасность столкновений частиц на Большом адронном коллайдере »). Однако такие квантовые черные дыры мгновенно испарились бы либо полностью, либо оставив лишь очень слабо взаимодействующий остаток. Помимо теоретических аргументов, космические лучи, попадающие на Землю, не причиняют никакого вреда, хотя и достигают энергий в пределах сотен ТэВ .

Минимальная масса черной дыры

В своих ранних предположениях Стивен Хокинг предположил, что черная дыра не может образоваться с массой менее 10 ⁻⁸ кг (примерно планковская масса ). Чтобы создать черную дыру, необходимо сконцентрировать массу или энергию настолько, чтобы скорость выхода из области, в которой она сконцентрирована, превысила скорость света .

Некоторые расширения современной физики предполагают существование дополнительных измерений пространства. В многомерном пространстве-времени сила гравитации увеличивается быстрее с уменьшением расстояния, чем в трехмерном пространстве. При определенных особых конфигурациях дополнительных измерений этот эффект может понизить масштаб Планка до диапазона ТэВ. Примеры таких расширений включают большие дополнительные измерения , особые случаи модели Рэндалла-Сундрама и конфигурации теории струн , такие как решения GKP. В таких сценариях образование черных дыр могло бы стать важным и наблюдаемым эффектом на Большом адронном коллайдере (БАК). Это также было бы обычным природным явлением, вызванным космическими лучами .

Все это предполагает, что общая теория относительности остается справедливой на этих небольших расстояниях. Если этого не произойдет, то другие, неизвестные в настоящее время эффекты могут ограничить минимальный размер черной дыры. Элементарные частицы обладают квантовомеханическим собственным моментом импульса ( спином ). Правильный закон сохранения полного (орбитального плюс спин) углового момента материи в искривленном пространстве-времени требует, чтобы пространство-время было оснащено кручением . Самая простая и естественная теория гравитации с кручением — теория Эйнштейна–Картана . Кручение изменяет уравнение Дирака в присутствии гравитационного поля и заставляет фермионные частицы расширяться в пространстве. В этом случае пространственная протяженность фермионов ограничивает минимальную массу черной дыры порядка 10 ¹⁶ кг , что показывает, что микрочерные дыры могут не существовать. Энергия, необходимая для создания такой черной дыры, на 39 порядков превышает энергию, доступную на Большом адронном коллайдере, что указывает на то, что БАК не может создавать мини-черные дыры. Но если рождаются черные дыры, то теория общей относительности оказывается ошибочной и не существует на таких малых расстояниях. Правила общей теории относительности будут нарушены, как это согласуется с теориями о том, как материя, пространство и время разрушаются вокруг горизонта событий черной дыры. Это также доказало бы неверность пространственных расширений фермионных пределов. Пределы фермионов предполагают минимальную массу, необходимую для поддержания черной дыры, а не минимальную массу, необходимую для создания черной дыры, которая теоретически достижима в БАКе при некоторых условиях.

Стабильность

Излучение Хокинга

Основная статья: Излучение Хокинга

В 1975 году Стивен Хокинг утверждал, что из-за квантовых эффектов черные дыры «испаряются» в результате процесса, который сейчас называется излучением Хокинга, элементарные частицы (такие как фотоны , электроны , кварки и глюоны ). при котором испускаются Его расчеты показали, что чем меньше размер черной дыры, тем выше скорость испарения, что приводит к внезапному взрыву частиц при внезапном взрыве микрочерной дыры.

Любая первичная черная дыра достаточно малой массы испарится до массы, близкой к планковской за время существования Вселенной . В этом процессе эти маленькие черные дыры излучают материю. Грубая картина этого такова: пары виртуальных частиц выходят из вакуума вблизи горизонта событий , причем один член пары захватывается, а другой покидает окрестности черной дыры. Конечным результатом является то, что черная дыра теряет массу (из-за сохранения энергии ). Согласно формулам термодинамики черной дыры , чем больше черная дыра теряет массу, тем горячее она становится и тем быстрее испаряется, пока не приблизится к планковской массе. На этом этапе черная дыра будет иметь Хокинга температуру ⁠ T _P / 8π ⁠ ( 5.6 × 10 ³⁰ K ), что означает, что испускаемая частица Хокинга будет иметь энергию, сравнимую с массой черной дыры. Таким образом, термодинамическое описание терпит неудачу. Такая микрочерная дыра также будет иметь энтропию всего 4 π   нат , примерно минимально возможное значение. В этот момент объект больше нельзя описывать как классическую черную дыру, и расчеты Хокинга также терпят неудачу.

Хотя излучение Хокинга иногда подвергается сомнению, Леонард Сасскинд резюмирует экспертную точку зрения в своей книге «Война черных дыр» : «Время от времени появляются статьи по физике, в которых утверждается, что черные дыры не испаряются. Такие статьи быстро исчезают в бесконечной куче мусора маргинальных идей».

Гипотезы относительно конечного состояния

Гипотезы об окончательной судьбе черной дыры включают полное испарение и образование остатков черной дыры размером с планковскую массу . Такие черные дыры планковской массы на самом деле могут быть стабильными объектами, если квантованные промежутки между их разрешенными уровнями энергии не позволяют им испускать частицы Хокинга или поглощать энергию гравитационно, как классическая черная дыра. В таком случае они были бы слабо взаимодействующими массивными частицами ; это могло бы объяснить темную материю .

Первичные черные дыры

Основная статья: Первичная черная дыра

Формирование в ранней Вселенной

Для создания черной дыры требуется концентрация массы или энергии в пределах соответствующего радиуса Шварцшильда . Зельдович и Новиков первыми и независимо Хокингом выдвинули гипотезу о том, что вскоре после Большого взрыва Вселенная стала достаточно плотной, чтобы любая данная область пространства могла уместиться в пределах ее собственного радиуса Шварцшильда. Несмотря на это, в то время Вселенная не могла схлопнуться в сингулярность из-за равномерного распределения массы и быстрого роста. Это, однако, не исключает полностью возможности локального возникновения черных дыр разного размера. Образовавшаяся таким образом черная дыра называется первичной черной дырой и является наиболее широко распространенной гипотезой возможного создания микрочерных дыр. Компьютерное моделирование предполагает, что вероятность образования первичной черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Таким образом, наиболее вероятным результатом будут микрочерные дыры.

Ожидаемые наблюдаемые эффекты

Первичная черная дыра с начальной массой около 10 ¹² кг сегодня завершит испарение; менее массивная первичная черная дыра уже испарилась бы. При оптимальных условиях космический гамма-телескоп Ферми , запущенный в июне 2008 года, может обнаружить экспериментальные доказательства испарения близлежащих черных дыр путем наблюдения всплесков гамма-излучения . Маловероятно, что столкновение микроскопической черной дыры с таким объектом, как звезда или планета, будет заметным. Небольшой радиус и высокая плотность черной дыры позволили бы ей пройти прямо через любой объект, состоящий из обычных атомов, взаимодействуя при этом лишь с несколькими его атомами. Однако было высказано предположение, что небольшая черная дыра достаточной массы, проходящая через Землю, будет производить обнаруживаемый акустический или сейсмический сигнал. На Луне он может оставить особый тип кратера, который все еще будет виден спустя миллиарды лет.

Искусственные микрочерные дыры

Целесообразность производства

Дополнительная информация: Кугельблиц (астрофизика)

В знакомой трехмерной гравитации минимальная энергия микроскопической черной дыры равна 10 ¹⁶  ТэВ (эквивалент 1,6 ГДж или 444 кВтч ), которые необходимо было бы сконденсировать в область порядка планковской длины . Это выходит далеко за пределы любой современной технологии. Предполагается, что что для столкновения двух частиц на расстоянии планковской длины с достижимой в настоящее время силой магнитного поля потребуется кольцевой ускоритель диаметром около 1000 световых лет , чтобы удерживать частицы на пути.

Однако в некоторых сценариях, связанных с дополнительными измерениями пространства, планковская масса может достигать ТэВного диапазона. 14 ТэВ Проектная энергия Большого адронного коллайдера (БАК) составляет для протон - протонных столкновений и 1150 ТэВ для столкновений Pb -Pb. В 2001 году утверждалось, что в этих обстоятельствах образование черных дыр может стать важным и наблюдаемым эффектом на БАКе. или будущие коллайдеры более высоких энергий. Такие квантовые черные дыры должны распадаться, испуская сгустки частиц, которые можно было бы увидеть детекторами на этих объектах. В статье Чоптуйка и Преториуса, опубликованной в 2010 году в журнале Physical Review Letters , представлено компьютерное доказательство того, что микрочерные дыры должны образовываться из двух сталкивающихся частиц с достаточной энергией, что может быть допустимо при энергиях БАКа, если дополнительные измерения. присутствуют кроме обычных четырех ( три пространственных, один временной ).

Аргументы безопасности

Основная статья: Безопасность экспериментов по столкновению частиц высоких энергий

Расчет Хокинга и более общие квантово-механические аргументы предсказывают, что микрочерные дыры испаряются почти мгновенно. В статье были приведены дополнительные аргументы безопасности, помимо аргументов, основанных на излучении Хокинга: который показал, что в гипотетических сценариях со стабильными микрочерными дырами, достаточно массивными, чтобы разрушить Землю, такие черные дыры были бы созданы космическими лучами и, вероятно, уже уничтожили бы астрономические объекты, такие как планеты, звезды или звездные остатки, такие как нейтронные звезды и белые звезды. карлики .

Черные дыры в квантовых теориях гравитации

возможно В некоторых теориях квантовой гравитации вычислить квантовые поправки к обычным классическим черным дырам. В отличие от обычных черных дыр, которые являются решениями уравнений гравитационного поля общей теории относительности , квантово-гравитационные черные дыры включают в себя эффекты квантовой гравитации вблизи начала координат, где классически возникает сингулярность кривизны. Согласно теории, используемой для моделирования эффектов квантовой гравитации, существуют различные виды квантово-гравитационных черных дыр, а именно петлевые квантовые черные дыры, некоммутативные черные дыры и асимптотически безопасные черные дыры. В этих подходах черные дыры лишены сингулярностей.

Виртуальные микрочерные дыры были предложены Стивеном Хокингом в 1995 году. и Фабио Скардигли в 1999 году в рамках Теории Великого Объединения в качестве кандидата на квантовую гравитацию .

См. также

• Электрон черной дыры
• Звездолет черной дыры
• Черные дыры в художественной литературе
• ЭР=ЭПР
• Кугельблиц (астрофизика)
• Стрэнджлет

Библиография

• Пейдж, Дон Н. (15 января 1976 г.). «Скорость выбросов частиц из черной дыры: безмассовые частицы из незаряженной невращающейся дыры». Физический обзор D . 13 (2): 198–206. Бибкод : 1976PhRvD..13..198P . doi : 10.1103/PhysRevD.13.198 : первые детальные исследования механизма испарения. {{cite journal}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
• Карр, Би Джей; Хокинг, Юго-Запад (1 августа 1974 г.). «Черные дыры в ранней Вселенной» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 168 (2): 399–415. arXiv : 1209.2243 . Бибкод : 1974MNRAS.168..399C . doi : 10.1093/mnras/168.2.399 : связь между первичными черными дырами и ранней Вселенной. {{cite journal}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
• А. Баррау и др., Астрон. Астрофиз. 388 (2002)676 , Астрон. Астрофиз. 398 (2003)403 , Астрофиз. J. 630 (2005) 1015 : экспериментальные поиски первичных черных дыр благодаря испускаемой антиматерии
• А. Барро и Г. Будул, Обзорный доклад, сделанный на Международной конференции по теоретической физике TH2002 : космология с первичными черными дырами
• А. Баррау и Дж. Грейн, Phys. Летт. B 584 (2004) 114 : поиски новой физики (квантовой гравитации) с первичными черными дырами.
• П. Канти, Int. Дж. Мод. Физ. A19 (2004) 4899 : испаряющиеся черные дыры и дополнительные измерения
• Д. Ида, К.-й. Ода и SCPark, [1] : определение жизни черной дыры и дополнительных измерений
• Сабина Хоссенфельдер: Чему нас могут научить черные дыры , hep-ph/0412265
• Л. Модесто, PhysRevD.70.124009 : Исчезновение сингулярности черной дыры в квантовой гравитации.
• П. Николини, А. Смайлачич, Э. Спаллуччи, j.physletb.2005.11.004 : Некоммутативная геометрия вдохновила черную дыру Шварцшильда.
• А. Бонанно, М. Рейтер, PhysRevD.73.083005 : Пространственно-временная структура испаряющейся черной дыры в квантовой гравитации.
• Фудзиока, Синсуке; и др. (18 октября 2009 г.). «Рентгеновская астрономия в лаборатории с миниатюрным компактным объектом, созданным методом лазерной имплозии». Физика природы . 5 (11): 821–825. arXiv : 0909.0315 . Бибкод : 2009NatPh...5..821F . дои : 10.1038/nphys1402 . S2CID   56423571 . : Рентгеновская астрономия в лаборатории с миниатюрным компактным объектом, созданным методом лазерной имплозии.
• Харрисон, Британская Колумбия; Торн, Канзас; Вакано, М.; Уилер, Дж. А. Теория гравитации и гравитационный коллапс, Чикаго: University of Chicago Press, 1965, стр. 80–81.

Внешние ссылки

• Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВного масштаба
• Мини-черные дыры могут раскрыть пятое измерение – Кер Тан. Space.com, 26 июня 2006 г., 10:42 по восточному времени.
• Машина Судного дня: Большой адронный коллайдер? – Научное эссе Норберта Фришауфа об энергиях, размерах, черных дырах и связанном с ними общественном внимании к ЦЕРН (также доступно в виде подкаста)