micro agujero negro

En 1975, Stephen Hawking argumentó que, debido a 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 demostraron que cuanto menor es el tamaño del agujero negro, mayor es la velocidad 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 dentro de 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 masa pierde 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 × 10³⁰ K ), lo que significa que una partícula ^de  Hawking emitida tendría una energía comparable a la masa del agujero negro. Por lo tanto, la descripción termodinámica deja de ser válida. Un microagujero negro de este tipo también tendría una entropía de tan solo 4π 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 fallan. 

Aunque la radiación de Hawking a veces se cuestiona, ^{[ 12 ]} Leonard Susskind resume una perspectiva experta en su libro La guerra de los agujeros negros : "De vez en cuando, aparece un artículo de física que afirma que los agujeros negros no se evaporan. Dichos 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 . Dichos agujeros negros de masa de Planck podrían ser, en efecto, 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 ]}

La formación de un agujero negro requiere la concentración de masa o energía dentro del radio de Schwarzschild correspondiente . Zel'dovich y Novikov plantearon la hipótesis, y Hawking la de forma independiente, de que, poco después del Big Bang , el Universo era lo suficientemente denso como para que cualquier región del espacio cupiera dentro de su propio radio de Schwarzschild. Aun así, en aquel 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 diversos 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 ordenador sugieren que la probabilidad de formación de un agujero negro primordial es inversamente proporcional a su masa. Por lo tanto, el resultado más probable serían los microagujeros negros.

Un agujero negro primordial con una masa inicial de alrededor de10 ¹²  kg estarían 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 improbable 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 compuesto de átomos normales, interactuando solo con algunos de sus átomos al hacerlo. Sin embargo, se ha sugerido que un pequeño agujero negro de masa suficiente que pasara a través de la Tierra produciría una señal acústica o sísmica detectable . ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ a ]} ​​En la luna, podría dejar un tipo distintivo de cráter, aún visible después de miles de millones de años. ^{[ 21 ]}

En la gravedad tridimensional familiar, 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 supera con creces los límites de cualquier tecnología actual. Se estima que para colisionar dos partículas a una distancia de la longitud de Planck con las intensidades de campo magnético actualmente alcanzables se necesitaría un acelerador de anillo de unos 1000 años luz de diámetro para mantener las partículas en trayectoria.

Sin embargo, en algunos escenarios que involucran dimensiones extra 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 ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 22 ]} o en futuros colisionadores de mayor energía. Estos agujeros negros cuánticos deberían desintegrarse emitiendo chorros de partículas que podrían ser detectados por 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 energía suficiente, 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 ]}

El cálculo de Hawking ^{[ 2 ]} y argumentos mecánicos cuánticos más generales predicen que los microagujeros negros se evaporan casi instantáneamente. En el artículo ^{[ 25 ] [ 26 ]} se presentaron argumentos de seguridad adicionales más allá de los basados ​​en la radiación de Hawking , que mostraron 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 remanentes estelares como estrellas de neutrones y enanas blancas .