Los microagujeros negros , también llamados agujeros negros de la mecánica cuántica o mini agujeros negros , son pequeños agujeros negros hipotéticos , para los que los efectos de la mecánica cuántica juegan un papel importante. [1] El concepto de que pueden existir agujeros negros que son más pequeños que la masa estelar fue introducido en 1971 por Stephen Hawking . [2]
Es posible que tales agujeros negros primordiales cuánticos se hayan creado en el entorno de alta densidad del Universo temprano (o Big Bang ), o posiblemente a través de transiciones de fase posteriores. Los astrofísicos podrían observarlos a través de las partículas que se espera que emitan mediante la radiación de Hawking . [ cita requerida ]
Algunas hipótesis que involucran dimensiones espaciales adicionales predicen que los microagujeros negros podrían formarse a energías tan bajas como el rango de TeV , que están disponibles en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones . Luego, se han planteado preocupaciones populares sobre los escenarios del fin del mundo (consulte Seguridad de las colisiones de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones ). Sin embargo, tales agujeros negros cuánticos se evaporarían instantáneamente, ya sea totalmente o dejando solo un residuo de interacción muy débil. [ cita requerida ] Aparte de los argumentos teóricos, los rayos cósmicos que golpean la Tierra no producen ningún daño, aunque alcanzan energías en el rango de cientos de TeV .
Masa mínima de un agujero negro
En principio, un agujero negro puede tener cualquier masa igual o superior a aproximadamente2,21 × 10 −8 kg o 22,1 microgramos (la masa de Planck ). [2] Para hacer un agujero negro, uno debe concentrar masa o energía lo suficiente como para que la velocidad de escape de la región en la que se concentra exceda la velocidad de la luz . Esta condición da el radio de Schwarzschild , R =2 GM/c 2, donde G es la constante gravitacional , c es la velocidad de la luz y M la masa del agujero negro. Por otro lado, la longitud de onda de Compton , λ = h/Mc, donde h es la constante de Planck , representa un límite en el tamaño mínimo de la región en la que se puede localizar una masa M en reposo. Para M suficientemente pequeño , la longitud de onda de Compton reducida ( ƛ = ħ/Mc, donde ħ es la constante de Planck reducida ) excede la mitad del radio de Schwarzschild, y no existe una descripción de agujero negro. Esta masa más pequeña de un agujero negro es, por tanto, aproximadamente la masa de Planck.
Algunas extensiones de la física actual postulan la existencia de dimensiones adicionales del espacio. En el espacio-tiempo de dimensiones superiores, la fuerza de la gravedad aumenta más rápidamente al disminuir la distancia que en tres dimensiones. Con ciertas configuraciones especiales de las dimensiones adicionales, este efecto puede reducir la escala de Planck al rango de TeV. Ejemplos de tales extensiones incluyen grandes dimensiones adicionales , casos especiales del modelo de Randall-Sundrum y configuraciones de teoría de cuerdas como las soluciones GKP. En tales escenarios, la producción de agujeros negros posiblemente podría ser un efecto importante y observable en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). [1] [3] [4] [5] [6] También sería un fenómeno natural común inducido por rayos cósmicos .
Todo esto supone que la teoría de la relatividad general sigue siendo válida a estas pequeñas distancias. Si no es así, otros efectos, actualmente desconocidos, podrían limitar el tamaño mínimo de un agujero negro. Las partículas elementales están equipadas con un momento angular intrínseco ( espín ) cuántico-mecánico . La ley de conservación correcta para el momento angular total (orbital más espín) de la materia en el espacio-tiempo curvo requiere que el espacio-tiempo esté equipado con torsión . La teoría más simple y natural de la gravedad con torsión es la teoría de Einstein-Cartan . [7] [8] La torsión modifica la ecuación de Dirac en presencia del campo gravitacional y hace que las partículas de fermiones se extiendan espacialmente. En este caso, la extensión espacial de los fermiones limita la masa mínima de un agujero negro al orden de10 16 kg , lo que demuestra que es posible que no existan microagujeros negros. La energía necesaria para producir tal agujero negro es 39 órdenes de magnitud mayor que las energías disponibles en el Gran Colisionador de Hadrones, lo que indica que el LHC no puede producir mini agujeros negros. Pero si se producen agujeros negros, entonces se demuestra que la teoría de la relatividad general es incorrecta y no existe a estas pequeñas distancias. Las reglas de la relatividad general se romperían, como es consistente con las teorías de cómo la materia, el espacio y el tiempo se descomponen alrededor del horizonte de eventos de un agujero negro. Esto probaría que las extensiones espaciales de los límites del fermión también son incorrectas. Los límites del fermión asumen una masa mínima necesaria para sostener un agujero negro, a diferencia de lo opuesto, la masa mínima necesaria para iniciar un agujero negro, que en teoría se puede lograr en el LHC en algunas condiciones. [9] [10]
Estabilidad
Radiación de Hawking
En 1975, Stephen Hawking argumentó que, debido a los efectos cuánticos , los agujeros negros se "evaporan" mediante un proceso ahora denominado radiación de Hawking en el que se emiten partículas elementales (como fotones , electrones , quarks , gluones ). [11] Sus cálculos mostraron que cuanto menor es el tamaño del agujero negro, más rápida es la tasa de evaporación, lo que resulta en una explosión repentina de partículas cuando el microagujero negro explota repentinamente.
Cualquier agujero negro primordial de masa suficientemente baja se evaporará hasta cerca de la masa de Planck durante la vida del Universo. En este proceso, estos pequeños agujeros negros irradian materia. Una imagen aproximada de esto es que pares de partículas virtuales emergen del vacío cerca del horizonte de eventos , con un miembro de un par capturado y el otro escapando de la vecindad del agujero negro. El resultado neto es que el agujero negro pierde masa (debido a la conservación de energía ). De acuerdo con las fórmulas de la termodinámica de los agujeros negros , cuanto más pierde masa el agujero negro, más caliente se vuelve y más rápido se evapora, hasta que se acerca a la masa de Planck. En esta etapa, un agujero negro tendría una temperatura de Hawking deT P/8π (5,6 × 10 32 K ), lo que significa que una partícula de Hawking emitida tendría una energía comparable a la masa del agujero negro. Por lo tanto, se rompe una descripción termodinámica. Tal microagujero negro también tendría una entropía de solo 4 π nats , aproximadamente el valor mínimo posible. Entonces, en este punto, el objeto ya no puede describirse como un agujero negro clásico, y los cálculos de Hawking también fallan.
Si bien a veces se cuestiona la radiación de Hawking, [12] Leonard Susskind resume una perspectiva experta en su libro The Black Hole War : "De vez en cuando, aparecerá un artículo de física que afirma que los agujeros negros no se evaporan. Tales artículos desaparecen rápidamente en el infinito montón de basura de ideas marginales ". [13]
Conjeturas para el estado final
Las conjeturas sobre el destino final del agujero negro incluyen la evaporación total y la producción de un remanente de agujero negro del tamaño de la masa de Planck. Dichos agujeros negros de masa de Planck pueden en efecto ser objetos estables si las brechas cuantificadas entre sus niveles de energía permitidos les impiden emitir partículas de Hawking o absorber energía gravitacionalmente como un agujero negro clásico. En tal caso, serían partículas masivas de interacción débil ; esto podría explicar la materia oscura . [14]
Agujeros negros primordiales
Formación en el Universo temprano
La producción de un agujero negro requiere concentración de masa o energía dentro del correspondiente radio de Schwarzschild . Zel'dovich y Novikov plantearon la hipótesis primero y Hawking de forma independiente de que, poco después del Big Bang , el Universo era lo suficientemente denso como para que cualquier región dada del espacio encajara dentro de su propio radio de Schwarzschild. Aun así, en ese momento, el Universo no pudo colapsar en una singularidad debido a su distribución de masa uniforme y su rápido crecimiento. Sin embargo, esto no excluye completamente la posibilidad de que hayan surgido localmente agujeros negros de varios tamaños. Un agujero negro formado de esta manera se denomina agujero negro primordial y es la hipótesis más aceptada para la posible creación de microagujeros negros. Las simulaciones por computadora sugieren que la probabilidad de formación de un agujero negro primordial es inversamente proporcional a su masa. Por tanto, el resultado más probable serían los microagujeros negros. [ cita requerida ]
Efectos observables esperados
Un agujero negro primordial con una masa inicial de alrededor 10 12 kg estarían completando su evaporación hoy; un agujero negro primordial menos masivo ya se habría evaporado. [1] En condiciones óptimas, el satélite del telescopio espacial de rayos gamma Fermi , lanzado en junio de 2008, podría detectar evidencia experimental de evaporación de agujeros negros cercanos mediante la observación de estallidos de rayos gamma . [15] [16] [17] Es poco probable que se note una colisión entre un agujero negro microscópico y un objeto como una estrella o un planeta. El pequeño radio y la alta densidad del agujero negro le permitirían pasar directamente a través de cualquier objeto formado por átomos normales, interactuando con solo algunos de sus átomos mientras lo hace. Sin embargo, se ha sugerido que un pequeño agujero negro de masa suficiente que atraviese la Tierra produciría una señal acústica o sísmica detectable . [18] [19] [20] [a]
Microagujeros negros creados por humanos
Viabilidad de la producción
En la conocida gravedad tridimensional, la energía mínima de un agujero negro microscópico es 10 16 TeV (equivalente a 1,6 GJ o 444 kWh ), que tendría que condensarse en una región del orden de la longitud de Planck . Esto está mucho más allá de los límites de cualquier tecnología actual. Se estima [ cita requerida ] que para colisionar dos partículas a una distancia de una longitud de Planck con las intensidades de campo magnético alcanzables actualmente, se necesitaría un acelerador de anillo de aproximadamente 1.000 años luz de diámetro para mantener las partículas en el camino.
Sin embargo, en algunos escenarios que involucran dimensiones adicionales del espacio, la masa de Planck puede ser tan baja como el rango de TeV . El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) tiene una energía de diseño de14 TeV para colisiones protón - protón y 1150 TeV para colisiones Pb - Pb . En 2001 se argumentó que, en estas circunstancias, la producción de agujeros negros podría ser un efecto importante y observable en el LHC [3] [4] [5] [6] [21] o en futuros colisionadores de mayor energía. Dichos agujeros negros cuánticos deberían descomponerse emitiendo aerosoles de partículas que podrían ser vistas por los detectores en estas instalaciones. [3] [4] Un artículo de Choptuik y Pretorius, publicado en 2010 en Physical Review Letters , presentó una prueba generada por computadora de que los microagujeros negros deben formarse a partir de dos partículas en colisión con suficiente energía, lo que podría ser admisible a las energías del LHC si existen dimensiones adicionales distintas de las cuatro habituales ( tres espaciales, una temporal ). [22] [23]
Argumentos de seguridad
El cálculo de Hawking [2] y los argumentos de la mecánica cuántica más generales predicen que los microagujeros negros se evaporan casi instantáneamente. En el documento se dieron argumentos de seguridad adicionales más allá de los basados en la radiación de Hawking, [24] [25] que mostraban que en escenarios hipotéticos con agujeros negros estables que podrían dañar la Tierra, dichos agujeros negros habrían sido producidos por rayos cósmicos y ya lo habrían hecho. destruyó objetos astronómicos conocidos como la Tierra, el Sol, estrellas de neutrones o enanas blancas .
Agujeros negros en las teorías cuánticas de la gravedad
En algunas teorías de la gravedad cuántica , es posible calcular las correcciones cuánticas de los agujeros negros clásicos ordinarios. A diferencia de los agujeros negros convencionales, que son soluciones de las ecuaciones de campo gravitacional de la teoría general de la relatividad , los agujeros negros de gravedad cuántica incorporan efectos de gravedad cuántica en las proximidades del origen, donde clásicamente se produce una singularidad de curvatura. Según la teoría empleada para modelar los efectos de la gravedad cuántica, existen diferentes tipos de agujeros negros de gravedad cuántica, a saber, agujeros negros cuánticos de bucle, agujeros negros no conmutativos, agujeros negros asintóticamente seguros. En estos enfoques, los agujeros negros están libres de singularidades. [ cita requerida ]
Los microagujeros negros virtuales fueron propuestos por Stephen Hawking en 1995 [26] y por Fabio Scardigli en 1999 como parte de una Gran Teoría Unificada como candidato a la gravedad cuántica . [27] [28]
Ver también
- Electrón de agujero negro
- Nave espacial agujero negro
- Agujeros negros en la ficción
- ER = EPR
- Kugelblitz (astrofísica)
- Partícula de Planck
Notas
- ^ El radio de Schwarzschild de un10 12 kg de agujero negro es aproximadamente148 fm (1,48 × 10 −13 m ), que es mucho más pequeño que un átomo pero más grande que un núcleo atómico.
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enlaces externos
- Implicaciones astrofísicas de hipotéticos agujeros negros estables a escala TeV
- Los mini agujeros negros podrían revelar la quinta dimensión : Ker Than. Space.com 26 de junio de 2006 10:42 am ET
- ¿Gran Colisionador de Hadrones de la Máquina del Juicio Final? - Un ensayo científico sobre energías, dimensiones, agujeros negros y la atención pública asociada al CERN, por Norbert Frischauf (también disponible como Podcast)