Microagujero negro
Agujeros negros hipotéticos de tamaño muy pequeño

Los microagujeros negros , también llamados miniagujeros negros o agujeros negros mecánicos cuánticos , son agujeros negros hipotéticos diminutos (<1 M ☉ ) , para los cuales los efectos mecánicos cuánticos juegan un papel importante. [1] El concepto de que pueden existir agujeros negros que sean más pequeños que la masa estelar fue introducido en 1971 por Stephen Hawking . [2]

Es posible que estos agujeros negros se hayan creado en el entorno de alta densidad del Universo temprano (o Big Bang ), o posiblemente a través de transiciones de fase posteriores (denominados agujeros negros primordiales ). Los astrofísicos podrían observarlos a través de las partículas que se espera que emitan mediante la radiación de Hawking . [3]

Algunas hipótesis que implican 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 escenarios del fin del mundo (ver 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 ] Además 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 una especulación temprana, Stephen Hawking conjeturó que un agujero negro no se formaría con una masa inferior a aproximadamente10 −8  kg (aproximadamente la masa de Planck ). [2] Para crear un agujero negro, se debe concentrar suficiente masa o energía para que la velocidad de escape de la región en la que está concentrada exceda la velocidad de la luz .

Algunas extensiones de la física actual postulan la existencia de dimensiones extra del espacio. En el espacio-tiempo de dimensiones superiores, la fuerza de la gravedad aumenta más rápidamente con la disminución de la distancia que en tres dimensiones. Con ciertas configuraciones especiales de las dimensiones extra, este efecto puede reducir la escala de Planck al rango de TeV. Ejemplos de tales extensiones incluyen grandes dimensiones extra , casos especiales del modelo de Randall-Sundrum y configuraciones de la teoría de cuerdas como las soluciones GKP. En tales escenarios, la producción de agujeros negros podría posiblemente ser un efecto importante y observable en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). [1] [4] [5] [6] [7] 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 mecánico-cuántico ( espín ). 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 . [8] [9] La torsión modifica la ecuación de Dirac en presencia del campo gravitatorio y hace que las partículas fermiónicas se extiendan espacialmente. En este caso, la extensión espacial de los fermiones limita la masa mínima de un agujero negro a un orden de10 16  kg , lo que demuestra que los microagujeros negros pueden no existir. La energía necesaria para producir un agujero negro de este tipo 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 miniagujeros negros. Pero si se producen agujeros negros, entonces se demuestra que la teoría de la relatividad general es errónea 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 sucesos de un agujero negro. Esto demostraría que las extensiones espaciales de los límites de fermiones también son incorrectas. Los límites de fermiones suponen 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 es alcanzable en el LHC bajo ciertas condiciones. [10] [11]

Estabilidad

Radiación de Hawking

En 1975, Stephen Hawking argumentó que, debido a los efectos cuánticos , los agujeros negros se "evaporan" mediante un proceso ahora conocido como radiación de Hawking en el que se emiten partículas elementales (como fotones , electrones , quarks y gluones ). [3] 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 de repente.

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 sucesos , con un miembro de un par siendo 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 la energía ). Según 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 de ⁠T.P.​/8π⁠ (5,6 × 10 30  K ), lo que significa que una partícula de Hawking emitida tendría una energía comparable a la masa del agujero negro. Por lo tanto, una descripción termodinámica se desmorona. Un agujero negro tan pequeño también tendría una entropía de solo 4 π  nats , aproximadamente el valor mínimo posible. En este punto, el objeto ya no puede describirse como un agujero negro clásico y los cálculos de Hawking también se desmoronan.

Aunque la radiación de Hawking a veces es cuestionada, [12] Leonard Susskind resume la perspectiva de un experto en su libro The Black Hole War : "De vez en cuando, aparece un artículo de física que afirma que los agujeros negros no se evaporan. Dichos artículos desaparecen rápidamente en el montón de basura infinito 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 . Estos agujeros negros de masa de Planck pueden, en efecto, ser objetos estables si las brechas cuantizadas 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 la concentración de masa o energía dentro del radio de Schwarzschild correspondiente . Zel'dovich y Novikov primero e independientemente por Hawking plantearon la hipótesis 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 uniforme de masa y crecimiento rápido. Esto, sin embargo, no excluye por completo la posibilidad de que hayan surgido agujeros negros de varios tamaños localmente. Un agujero negro formado de esta manera se llama 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 lo tanto, el resultado más probable sería el de microagujeros negros. [ cita requerida ]

Efectos observables esperados

Un agujero negro primordial con una masa inicial de alrededor de10 12  kg estaría completando su evaporación hoy; un agujero negro primordial menos masivo ya se habría evaporado. [1] En condiciones óptimas, el satélite Fermi Gamma-ray Space Telescope , lanzado en junio de 2008, podría detectar evidencia experimental de evaporación de agujeros negros cercanos al observar estallidos de rayos gamma . [15] [16] [17] Es poco probable que una colisión entre un agujero negro microscópico y un objeto como una estrella o un planeta sea perceptible. El pequeño radio y la alta densidad del agujero negro le permitirían pasar directamente a través de cualquier objeto que consista en átomos normales, interactuando con solo unos pocos de sus átomos mientras lo hace. Sin embargo, se ha sugerido que un pequeño agujero negro de suficiente masa que pase a través de la Tierra produciría una señal acústica o sísmica detectable. [18] [19] [20] [a] En la Luna, puede dejar un tipo distinto de cráter, todavía visible después de miles de millones de años. [21]

Microagujeros negros creados por el hombre

Viabilidad de la producción

En la familiar gravedad tridimensional, la energía mínima de un agujero negro microscópico es10 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 muy por encima 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 requeriría un acelerador de anillo de unos 1.000 años luz de diámetro para mantener las partículas en su trayectoria.

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 1.150 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 [4] [5] [6 ] [7] [22] o en futuros colisionadores de mayor energía. Estos agujeros negros cuánticos deberían desintegrarse emitiendo chorros de partículas que podrían verse mediante detectores en estas instalaciones. [4] [5] 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 hay dimensiones adicionales además de las cuatro habituales ( tres espaciales, una temporal ). [23] [24]

Argumentos de seguridad

El cálculo de Hawking [2] y argumentos mecánicos cuánticos más generales predicen que los microagujeros negros se evaporan casi instantáneamente. En el artículo se dieron argumentos de seguridad adicionales más allá de los basados ​​en la radiación de Hawking [25] [26], que mostraban que en escenarios hipotéticos con microagujeros negros estables lo suficientemente masivos como para destruir la Tierra, dichos agujeros negros habrían sido producidos por rayos cósmicos y probablemente ya habrían destruido objetos astronómicos como planetas, estrellas o restos estelares como estrellas de neutrones y enanas blancas .

Los 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 y ordinarios. A diferencia de los agujeros negros convencionales, que son soluciones de las ecuaciones del campo gravitacional de la teoría general de la relatividad , los agujeros negros de gravedad cuántica incorporan efectos de gravedad cuántica en la proximidad 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 bucles, agujeros negros no conmutativos y 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 [27] y por Fabio Scardigli en 1999 como parte de una Gran Teoría Unificada como candidato a la gravedad cuántica . [28]

Véase también

Notas

  1. ^ El radio de Schwarzschild de unUn agujero negro de 10 a 12  kg pesa aproximadamente148fm (1,48 × 10 −13  m ), que es mucho más pequeño que un átomo pero más grande que un núcleo atómico.

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