Juodosios mikro skylės

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.
Peršokti į: navigaciją, paiešką

Juodosios mikro skylės yra mažos hipotetinės juodosios skylės, taip pat vadinamos kvantmechaninėmis juodosiomis skylėmis arba juodosiomis skylėmis, kurias veikia kvantinės mechanikos dėsniai.

Spėjama, jog šios kvantinės pirmykštės juodosios skylės susikūrė didelio tankio aplinkoje ankstyvojoje visatos egzistavimo fazėje arba Didžiojo sprogimo metu arba per vėlesnį visatos augimo laikotarpį. Netolimoje ateityje astrofizikai galbūt galės jas fiksuoti, dėl Hokingo spinduliavimo, kurį, spėjama, šios juodosios skylės spinduliuoja.

Kai kurios teorijos, naudojančios papildomus erdvės matavimus, teigia, jog juodosios mikro skylės gali būti susiformavusios teraelektronvoltų energijose, kurias įmanoma išgauti dalelių greitintuvuose, tokiuose kaip Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas.

Dėl šios priežasties yra iškeltos su tuo susijusios pasaulio pabaigos scenarijaus teorijos. Tačiau susikūrusios šios kvantinės juodosios skylės tuojau pat išnyktų visiškai arba palikdamos po savęs labai silpnai sąveikaujančių liekanų. Be to, netgi be teorinių argumentų, mes žinome, jog kosminiai spinduliai, atkeliaujantys iki Žemės, nesukelia jokios žalos, nors ir siekia energijas iki šimtų TeV.

Minimali juodosios skylės masė[taisyti | redaguoti kodą]

Iš esmės juodoji skylė gali turėti bet kokią masę, didesnę nei Planko masė. Tam, kad susiformuotų juodoji skylė, reikia sukoncentuoti pakankamai masės arba energijos, kad ištrūkimo iš sferos, kurioje ji yra sukoncentruota, greitis būtų didesnis arba lygus šviesos greičiui. Ši sąlyga mums duoda Švarčšildo spindulį

r_{sh} =\frac{2GM}{c^2} \;

– kur G yra Niutono gravitacijos konstanta, c yra šviesos greitis, M yra masė.

Antra vertus, Komptono bangos ilgis (En:Compton wavelenght) λ = h / Mc, kur h yra Planko konstanta, nusako minimalius matmenis objekto, kurio masė M ramybės būsenoje gali būti aptikta.

Dėl to jokia skylė negali būti mažesnė nei pusė Švarčšildo spindulio. Ši mažiausia juodosios skylės masė dėl to maždaug atitinka Planko masę.

Kai kurios šiuolaikinės fizikos teorijos teigia egzistuojant papildomus erdvės matavimus. Aukštesnės dimensijos kosmoso laike, gravitacijos jėga didėja sparčiau, sumažindama atstumą tarp trijų dimensijų. Su tam tikromis specialiomis papildomų dimensijų konfigūracijomis, šis efektas gali nuleisti Planko skalę į TeV spektro sritį. Šių teorijų pavyzdžiais galėtų būti didelio matmens, specialūs En:Randall-Sundrum modeliai ir stygų teorijos variantai.

Pagal šiuos scenarijus, juodųjų skylių kūrimas gali būti svarbus ir didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve įmanomas stebėti efektas. Tai taip pat būtų dažnas natūralus kosminės spinduliuotės sukeltas fenomenas.

Juodosios mikro skylės stabilumas.[taisyti | redaguoti kodą]

1974 metais Stivenas Hokingas ėmė teigti, jog dėl kvantinių efektų juodosios skylės išnyksta proceso, kuris dabar vadinamas Hokingo spinduliavimas, metu. Šio proceso metu susidaro elementariosios dalelės (fotonai, elektronai, kvarkai ir t. t.). Skaičiavimai rodo, kad juo mažesnė yra juodoji skylė, juo greičiau ji išnyksta. Tai vyksta juodajai skylei sprogstant, o šios sprogimo metu ir susidaro daugybė minėtųjų dalelių.

Bet kuri pirmykštė, pakankamai mažos masės, juodoji skylė turėtų išnykti beveik iki Planko (Planck) masės per laikotarpį atitinkantį Visatos gyvavimo trukmę. Šio proceso metu mažosios juodosios skylės išspinduliuoja materiją. Grubiai tariant, tai turėtų atrodyti, kaip virtualių dalelių poros atsirandančios iš vakuumo, kurių viena būna sulaikyta, o kita išsiveržia iš juodosios skylės lauko. To rezultatas yra juodosios skylės masės praradimas, vykstantis dėl energijos tvermės dėsnio. Remiantis juodųjų skylių termodinamikos (black hole thermodynamics) formule, kuo daugiau juodoji skylė netenka masės, tuo ji tampa karštesnė it tuo greičiau išnyksta iki lygmens, kol pasiekia Planko masę. Šiame etape juodoji skylė įgyja Hokingo temperatūrą apskaičiuojamą TP / 8π (5.6×1032 K), kas reiškia, jog Hokingo dalelė įgyja energiją palyginamą su juodosios skylės mase. Todėl termodinaminis apibūdinimas tampa nebetinkamu. Tokia mini juodoji skylė taip pat turėtų tik 4π nitų (nats) entropiją, esančia apytiksliai mažiausios įmanomos vertės. Tad nuo šio momento, objektas nebegali būti vadinamas klasikine juodąja skyle ir Hokingo skaičiavimai taip pat nebegali būti taikomi.

Kadangi dėl Hokingo spinduliavimo teorijos kartais kyla klausimų, Leonardas Suskindas (Leonard Susskind) savo paskutinėjė knygoje apibendrindamas teigia, jog net jei dėl to ir yra keliamas klausimas, visada atsiras teigiančių, jog juodosios skylės neišnyksta. Tačiau, to paties autoriaus teigimu, šios idėjos turėtų būti greitai atmestos, nes yra niekinės.

Galutinės būsenos hipotezė[taisyti | redaguoti kodą]

Galutinės būsenos hipotezė nagrinėjant juodąsias skyles teigia, kad jos susinaikina ir pavirsta Planko (Planck) masės dydžio juodosios skylės liekana. Jei spėjimas apie kvantines juodąsias skyles yra teisinga, tada priartėjus prie Planko masės galimų kvantinių jos būsenų skaičius turėtų būti toks mažas, kad sąveika turėtų būti neaptinkama. Teigiama, jog Planko masės juodosios skylės daugiau nebepajėgia nei absorbuoti energijos gravitaciškai, kaip klasikinės juodosios skylės, dėl padidėjusio atotrūkio tarp energijos lygių, nei išspinduliuoti Hokingo dalelių dėl tos pačios priežasties. Todėl jos turėtų būti stabilūs objektai. Tokiu atveju jos būtų silpnai veikiančios milžiniškos dalelės (WIMPs), kas paaiškintų tamsiosios medžiagos egzistavimą.

Formavimasis ankstyvojoje visatoje[taisyti | redaguoti kodą]

Tam, kad susidarytų juodoji skylė reikalinga atitinkama masės ir energijos koncentracija Švarčšildo spindulyje. Teigiama, jog iškart po Didžiojo sprogimo Visata buvo tokia tanki, jog tilpo savo pačios Švarčšildo spindulyje. Nepaisant to, net tada Visata negalėjo susmegti į juodąsias skyles, dėl to, kad jos masė buvo tolygiai pasiskirsčiusi ir ji labai greitai plėtėsi. Tačiau įvairaus dydžio juodosios skylės galėjo atsirasti lokaliai. Tokiu būdu susiformavusios juodosios skylės yra vadinamos pirmykštėmis juodosiomis skylėmis (primordial black hole).

Tikėtinai pastebimi efektai[taisyti | redaguoti kodą]

Pirmykštės juodosios skylės, kurių masė būtų apie 1015 gramų turėtų kaip tik baigti savo išnykimo procesą šiuo metu; lengvesnės jau apskritai būtų išnykę. Optimistinėmis aplinkybėmis 2008 metų birželį paleistas Fermi Gamma-ray Space Telescope palydovinis teleskopas, galėtų aptikti eksperimentinių įrodymų, dėl netoliese esančių ar buvusių juodųjų skylių, susekdamas jų skleidžiamą gama spinduliuotę.

Visgi mažai tikėtina, jog sąveiką tarp mikroskopinės juodosios skylės ir objekto, tokio kaip žvaigždė ar planeta, būtų įmanoma pastebėti. Taip yra dėl to, kad mažas spindulys ir didelis juodosios skylės tankis leistų jai prasiskverbti tiesiai pro bet kokį objektą sudarytą iš normalių atomų, sąveikaujant vos su keliais objekto atomais. Vis dėlto, teigiama ir tai, jog mažai juodajai skylei (esančiai pakankamos masės) skverbiantis per Žemės planetą, būtų įmanoma akustiškai ar seismiškai aptikti jos buvimą.

Dirbtinai sukurtos juodosios skylės[taisyti | redaguoti kodą]

Ar žmonės gali sukurti juodąsias skyles?

Mums pažįstamoje trijų dimensijų gravitacijoje minimalus energijos kiekis reikalingas mikroskopinei juodajai skylei yra 1019 GeV, kuris turėtų būti sukoncentruotas maždaug 10-33 cm skersmens regione. O tai yra dar toli palyginus su tuo, ką šiuo metu gali pasiūlyti dabartinės technologijos. Skaičiuojama, jog tam, kad sukelti reikiamą dviejų dalelių susidūrimą Planko ilgio nuotolyje su šiuo metu pasiekiamu magnetinio lauko stiprumu, reikėtų žiedinio greitintuvo su maždaug 1000 šviesmečių ilgio diametru, kad dalelės būtų išlaikytos reikiamoje trajektorijoje. Stivenas Hokingas taip pat savo knygoje „Trumpa laiko istorija“ (Brief History of Time) taip pat teigia, jog fizikas Džonas Archibaldas Vyleris (John Archibald Wheeler) kartą apskaičiavo, jog labai galinga vandenilinė bomba, kuriai pagaminti būtų sunaudotas visas žemėje esantis vanduo, taip pat galėtų sukurti juodąją mikro skylę, tačiau knygos autorius su juo nesutinka, nes tam trūkstama įtikinamų įrodymų.

Vis dėlto, kai kuriuose hipotetiniuose scenarijuose, kuriuose veikia papildomos erdvės dimensijos, Planko masė gali būti tokia maža, kad įsitektų TeV spektre. Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas arba ateities dar galingesni greitintuvai, kaip buvo teigiama 2001 metais, gali sumodeliuoti tokią situaciją, kurią būtų net galima stebėti atitinkamų detektorių pagalba.


Saugumo argumentai[taisyti | redaguoti kodą]

Ar gali tai pakenkti Žemei?

Remiantis Hokingo skaičiavimais ir kvantinės fizikos dėsniais, teigiama, jog juodosios mikro skylės išnyksta beveik akimirskniu. Taip pat teigiama, kad jei sukurtos juodosios skylės galėtų pakenkti Žemės planetai, pastaroji jau būtų sunaikinta kosminės spinduliuotės, kuri turėtų kurti analogiškas juodąsias skyles. O tai, kaip žinia, nėra įvykę. Taip pat mikroskopinės juodosios skylės sukurtos dalelių greitintuve būtų ypač mažos ir turinčios didelį greitį, kas reikštų, jog jos negalėtų įgauti pavojingai didelės masės prieš palikdamos Žemės planetą.

Nuorodos[taisyti | redaguoti kodą]

  1. D. Page, Phys. Rev. D13 (1976) 198 : first detailed studies of the evaporation mechanism
  2. B.J. Carr & S.W. Hawking, Mon. Not. Roy. Astron. Soc 168 (1974) 399 : links between primordial black holes and the early universe
  3. A. Barrau et al., Astron. Astrophys. 388 (2002) 676 , Astron. Astrophys. 398 (2003) 403 , Astrophys. J. 630 (2005) 1015 : experimental searches for primordial black holes thanks to the emitted antimatter
  4. A. Barrau & G. Boudoul, Review talk given at the International Conference on Theoretical Physics TH2002 : cosmology with primordial black holes
  5. A. Barrau & J. Grain, Phys. Lett. B 584 (2004) 114 : searches for new physics (quantum gravity) with primordial black holes
  6. P. Kanti, Int. J. Mod. Phys. A19 (2004) 4899 : evaporating black holes and extra-dimensions
  7. D. Ida, K.-y. Oda & S.C.Park, [1]: determination of black hole's life and extra-dimensions
  8. Sabine Hossenfelder: What Black Holes Can Teach Us, hep-ph/0412265