Los microagujeros negros , también llamados miniagujeros negros o agujeros negros de la mecánica cuántica , son hipotéticos agujeros negros diminutos (<1 M ☉ ) , en los que los efectos de la mecánica cuántica 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 tales 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 la radiación de Hawking . [3]
Algunas hipótesis que involucran dimensiones espaciales adicionales predicen que podrían formarse microagujeros negros a energías tan bajas como el rango de TeV , que están disponibles en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones . Luego surgieron preocupaciones populares sobre los 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 sólo un residuo que interactúa muy débilmente. [ cita necesaria ] Más allá de los argumentos teóricos, los rayos cósmicos que impactan la Tierra no producen ningún daño, aunque alcanzan energías en el rango de cientos de TeV .
En una de las primeras especulaciones, Stephen Hawking conjeturó que no se formaría un agujero negro con una masa por debajo de aproximadamente10 −8 kg (aproximadamente la masa de Planck ). [2] Para crear un agujero negro, se debe concentrar masa o energía lo suficiente como para que la velocidad de escape de la región en la que se concentra supere la velocidad de la luz .
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 Randall-Sundrum y configuraciones de teoría de cuerdas como las soluciones GKP. En tales escenarios, la producción de agujeros negros podría 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 los rayos cósmicos .
Todo esto supone que la teoría de la relatividad general sigue siendo válida a estas pequeñas distancias. Si no es así, entonces otros efectos, actualmente desconocidos, podrían limitar el tamaño mínimo de un agujero negro. Las partículas elementales están dotadas de un momento angular intrínseco de mecánica cuántica ( 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 de la gravedad con torsión más simple y natural es la teoría de Einstein-Cartan . [8] [9] 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 muestra que es posible que no existan microagujeros negros. 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 mini agujeros 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. Se romperían las reglas de la relatividad general, lo que es coherente con las teorías sobre cómo se descomponen la materia, el espacio y el tiempo alrededor del horizonte de sucesos de un agujero negro. Esto demostraría que las extensiones espaciales de los límites de los fermiones también son incorrectas. Los límites de fermiones suponen una masa mínima necesaria para sostener un agujero negro, a diferencia de lo contrario, la masa mínima necesaria para iniciar un agujero negro, que en teoría se puede lograr en el LHC bajo algunas condiciones. [10] [11]
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 y gluones ). [3] Sus cálculos mostraron que cuanto más pequeño es el tamaño del agujero negro, más rápida es la tasa de evaporación, lo que resulta en una repentina explosión de partículas cuando el microagujero negro explota repentinamente.
Cualquier agujero negro primordial de masa suficientemente baja se evaporará hasta alcanzar una masa cercana a la 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 las proximidades del agujero negro. El resultado neto es que el agujero negro pierde masa (debido a la conservación de energía ). Según las fórmulas de la termodinámica de los agujeros negros , cuanto más pierde masa el agujero negro, más se calienta y más rápido se evapora, hasta acercarse a la masa de Planck. En esta etapa, un agujero negro tendría una temperatura de Hawking deTP/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 tanto, una descripción termodinámica se desmorona. Un microagujero negro de este tipo también tendría una entropía de sólo 4 π nats , aproximadamente el valor mínimo posible. En este punto, pues, el objeto ya no puede describirse como un agujero negro clásico, y los cálculos de Hawking también fallan.
Aunque 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 aparece un artículo de física que afirma que los agujeros negros no se evaporan. Estos artículos desaparecen rápidamente en el infinito. montón de basura de ideas marginales." [13]
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 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, se trataría de partículas masivas que interactúan débilmente ; esto podría explicar la materia oscura . [14]
La producción de un agujero negro requiere la concentración de masa o energía dentro del correspondiente radio de Schwarzschild . Zel'dovich y Novikov primero, e independientemente Hawking, plantearon la hipótesis de que, poco después del Big Bang , el Universo era lo suficientemente denso como para que cualquier región determinada del espacio cupiera 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 su rápido crecimiento. Sin embargo, esto no excluye por completo la posibilidad de que hayan surgido localmente agujeros negros de distintos tamaños. Un agujero negro formado de esta manera se denomina agujero negro primordial y es la hipótesis más aceptada sobre 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 necesaria ]
Un agujero negro primordial con una masa inicial de alrededor10 12 kg estarían completando hoy su evaporación; 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 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 formado por átomos normales, interactuando sólo con unos pocos de sus átomos mientras lo hace. Sin embargo, se ha sugerido que un pequeño agujero negro de masa suficiente que atravesara la Tierra produciría una señal acústica o sísmica detectable . [18] [19] [20] [a] En la Luna, puede dejar un tipo distinto de cráter, aún visible después de miles de millones de años. [21]
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 habría que condensar 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 necesaria ] que para colisionar dos partículas a una distancia de una longitud de Planck con intensidades de campo magnético actualmente alcanzables se requeriría 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 implican 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 aerosoles de partículas que podrían ser vistos por los detectores de 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 permisible con las energías del LHC si hay dimensiones adicionales además de las cuatro habituales ( tres espaciales, una temporal ). [23] [24]
El cálculo de Hawking [2] y argumentos más generales de la mecánica cuántica predicen que los microagujeros negros se evaporan casi instantáneamente. En el artículo se ofrecieron argumentos de seguridad adicionales, además de los basados en la radiación de Hawking, [25] [26], que demostraron que en escenarios hipotéticos con microagujeros negros estables lo suficientemente masivos como para destruir la Tierra, tales agujeros negros habrían sido producidos por rayos cósmicos y habrían sido producidos por rayos cósmicos. Probablemente ya hayan destruido objetos astronómicos como planetas, estrellas o restos estelares como estrellas de neutrones y enanas blancas .
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 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 y agujeros negros asintóticamente seguros. En estos enfoques, los agujeros negros están libres de singularidades. [ cita necesaria ]
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]
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