Juodoji mikrobedugnė

Juodoji mikrobedugnė – maža hipotetinė juodoji bedugnė, taip pat vadinama kvantmechanine juodąja bedugne arba juodąja bedugne, kurią veikia kvantinės mechanikos dėsniai.

Spėjama, jog šios kvantinės pirmykštės juodosios bedugnės 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 bedugnės spinduliuoja.

Kai kurios teorijos, naudojančios papildomus erdvės matavimus, teigia, jog juodosios mikrobedugnė 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 bedugnės 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 bedugnės masė

Iš esmės juodoji bedugnė gali turėti bet kokią masę, didesnę nei Planko masė. Tam, kad susiformuotų juodoji bedugnė, 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 λ = h / Mc, kur h yra Planko konstanta, nusako minimalius matmenis objekto, kurio masė M ramybės būsenoje gali būti aptikta.

Dėl to jokia bedugnė negali būti mažesnė nei pusė Švarčšildo spindulio. Ši mažiausia juodosios bedugnės 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 Randall-Sundrum modeliai ir stygų teorijos variantai.

Pagal šiuos scenarijus, juodųjų bedugnių 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 bedugnės stabilumas

1974 metais Stivenas Hokingas ėmė teigti, jog dėl kvantinių efektų juodosios bedugnės 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 bedugnė, juo greičiau ji išnyksta. Tai vyksta juodajai bedugnei sprogstant, o šios sprogimo metu ir susidaro daugybė minėtųjų dalelių.

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

Galutinės būsenos hipotezė

Galutinės būsenos hipotezė nagrinėjant juodąsias bedugnes teigia, kad jos susinaikina ir pavirsta Planko (Planck) masės dydžio juodosios bedugnės liekana. Jei spėjimas apie kvantines juodąsias bedugnes 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 bedugnės daugiau nebepajėgia nei absorbuoti energijos gravitaciškai, kaip klasikinės juodosios bedugnės, 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

Tam, kad susidarytų juodoji bedugnė 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 bedugnes, dėl to, kad jos masė buvo tolygiai pasiskirsčiusi ir ji labai greitai plėtėsi. Tačiau įvairaus dydžio juodosios bedugnės galėjo atsirasti lokaliai. Tokiu būdu susiformavusios juodosios bedugnės yra vadinamos pirmykštėmis juodosiomis bedugnėmis (primordial black hole).

Tikėtinai pastebimi efektai

Pirmykštės juodosios bedugnės, 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 bedugnių, susekdamas jų skleidžiamą gama spinduliuotę.

Visgi mažai tikėtina, jog sąveiką tarp mikroskopinės juodosios bedugnės ir objekto, tokio kaip žvaigždė ar planeta, būtų įmanoma pastebėti. Taip yra dėl to, kad mažas spindulys ir didelis juodosios bedugnės 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 bedugnei (esančiai pakankamos masės) skverbiantis per Žemės planetą, būtų įmanoma akustiškai ar seismiškai aptikti jos buvimą.

Dirbtinai sukurtos juodosios bedugnės

Ar žmonės gali sukurti juodąsias bedugnes?

Mums pažįstamoje trijų dimensijų gravitacijoje minimalus energijos kiekis reikalingas mikroskopinei juodajai bedugnei 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 mikrobedugnę, 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

Ar gali tai pakenkti Žemei?

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

Nuorodos

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