Scientia

Găurile negre au înspăimântat o parte din publicul care aştepta pornirea acceleratorului de la Geneva în 2008. S-a făcut multă vâlvă atunci, legată de probabilitatea, mică dar nu zero, de a se forma găuri negre în urma coliziunilor protonilor de mare energie la LHC.

Găurile negre: de la firul de păr greu cât Luna la stăpâna galaxiei

Mulţi s-au speriat crezând că aceste găuri negre ar putea înghiţi Pământul. Probabilitatea ca micro-găuri negre să se formeze la LHC estre extrem de mică, însă, chiar dacă acestea s-ar forma, cum mulţi fizicieni speră, ele ar dispărea prin emisie de radiaţie Hawking aproape instantaneu. Vom ilustra pe scurt în acest articol câteva aspecte legate de evaporarea găurilor negre prin emisia de radiaţie Hawking, fără pretenţia de a face o prezentare  riguroasă sau completă.

Găurile negre de la Geneva

Am prezentat în articolele precedente câteva dintre caracteristicile găurilor negre şi o clasificare a acestora în funcţie de masa şi, implicit, de mecanismul care duce la naşterea acestora.

Am văzut, astfel, că găurile negre pot avea mase şi dimensiuni extrem de variabile: de la găuri negre microscopice la cele cu masa de sute de milioane de ori mai mare decât a Soarelui. Fizicienii au ceva speranţe să formeze şi să studieze micro-găuri negre prin coliziunea protonilor de energie înaltă la acceleratorul Large Hadron Collider (LHC) de la Geneva.

Producerea acestora este extrem de improbabilă. Totuşi, în cadrul anumitor teorii în care există extra-dimensiuni, probabilitatea de formare este puţin mai mare. Posibilitatea de a studia micro-găurile negre la LHC ar fi pentru fizicieni un eveniment extraordinar, care ne-ar ajuta în înţelegerea mai profundă a Universului şi a legilor acestuia.

Faptul că la LHC s-ar putea crea găuri negre a generat o serie de anunţuri alarmiste în presă, care au stârnit panică în rândul populaţiei. O parte dintre aceste anunţuri au fost alimentate şi de anumiţi fizicieni care doreau să aibă momentul lor de glorie. Aceste găuri negre ar fi înghiţit mai întâi LHC-ul, pe urmă Geneva şi într-un final întreaga lume.

Gaura neagra emitand radiatie Hawking
Gaură neagră emiţând radiaţie Hawking. Reprezentare artistică.
Clic pe imagine pentru vizualizare la dimensiunea maximă.

Radiaţia Hawking

Vom vedea în cele ce urmează cum emit găurile negre asa-numita radiaţie Hawking, proces care poate duce la evaporarea acestora. Durata în care o gaura neagră dispare prin evaporare depinde de masa acesteia - cu cât masa este mai mică, cu atât evaporarea este mai rapidă. Găurile negre de la LHC ar urma să dispară practic instantaneu, iar fizicienilor nu le-ar rămâne altceva de făcut decât să detecteze radiaţia emisă cu ajutorul detectoarelor extrem de complexe instalate acolo.

Radiaţia care poartă numele celui care a descoperit acest proces, Stephen Hawking, un adevărat mag al găurilor negre, este radiaţia emisă de găurile negre datorită efectelor cuantice. Istoria descoperirii este foarte interesantă şi este legată şi de numele lui Jacob Bekenstein, cel care a propus formula pentru entropia găurii negre şi, implicit, pentru existenţa unei temperaturi asociate acesteia. Temperatura înseamnă emisie de radiaţie, deci o gaură neagră ar emite radiaţie! Cum e posibil una ca asta?

Hawking a demonstrat în 1974 că - dacă ţinem cont de legile fizicii, în mod concret de teoria cuantică a câmpului (quantum field theory) - se ajunge la concluzia că găurile negre emit radiaţie ca şi cum ar fi corpuri negre cu o temperatură invers proporţională cu masa.

Trebuie menţionaţi aici şi fizicienii sovietici Yakov Zel’dovich şi Alexander Starobinsky care, în 1973, când Hawking a vizitat Uniunea Sovietică, l-au informat despre descoperirea lor legată de emisia spontană de radiaţie, datorită efectelor cuantice, de către găurile negre aflate în rotaţie.

Particule care scapă din gaura neagră

Pe scurt, procesul de emisie de radiaţie, care a căpătat numele de radiaţie Hawking, de către o gaură neagră este următorul: în apropierea orizontului evenimentelor, ţinând cont de mecanica cuantică, se formează perechi de particule virtuale (particulă-antiparticulă). În mod normal aceste particule virtuale nu pot fi detectate, însă contribuie la aşa-numita energie a vidului. Câmpul gravitaţional al unei găuri negre joacă însă un rol extrem de important în transformarea uneia dintre particule din particulă virtuală în particulă reală, practic expulzând-o din gaura neagră. Această particulă care a scăpat din gaura neagră reprezintă radiaţia Hawking.

Perechea ei, ce ar avea o energie negativă (conservarea energiei), contribuie la scăderea masei găurii negre, deci la procesul de evaporare. Evident că dacă gaura neagră absoarbe alt material (particule, stele, planete, alte găuri  negre etc.), între timp evaporarea este compensată sau poate să devină (de exemplu în cazul găurilor negre cu masa mare) neglijabilă – acestea vor creşte în continuare.

Scurt fragment din documentarul "Stephen Hawking - Master of the Universe".
Extrasul prezintă conceptul de radiaţie Hawking şi mecanismele prin care găurile negre pierd masă şi emit radiaţie.

În cât timp dispare o gaură neagră în urma evaporării?

Cum am menţionat anterior, temperatura unei găuri negre este invers proporţională cu masa acesteia. Deci cu cât o gaură neagră este mai mică, cu atât este mai caldă. Radiaţia emisă depinde de temperatura şi deci, implicit, timpul în care o gaură neagră dispare depinde de temperatură, deci de masa găurii negre.

Să vedem în continuare câteva exemple:

Găurile negre cu masa de câteva ori cât masa Soarelui au un timp de evaporare mult mai mare decât vârsta Universului (circa 13.7 miliarde de ani de la Big Bang); o gaură neagră cu masa egală cu cea a Soarelui ar dispărea prin evaporare în circa 2 x 10⁶⁷ ani! Mai rămâne faptul că astfel de găuri negre nu sunt izolate şi că absorb în continuare materie şi energie. Una dintre sursele de energie este aşa-numitul fond cosmic de microunde, care are o temperatură de circa 2.7 K. Deci astfel de găuri negre ar putea să se evapore doar în momentul în care Universul, dacă expansiunea ar continua, ar ajunge la o temperatură, vorbind despre temperatura radiaţiei de fond, sub temperatura găurii negre. Deci mai durează...

Găurile negre cu masa de circa 100 miliarde de kg ar avea un timp de evaporare de circa 3 miliarde de ani. Astfel de găuri negre s-ar fi putut forma, chiar dacă mecanismul nu este încă clar, la puţin timp după Big Bang şi se numesc găuri negre primordiale. În prezent am putea detecta radiaţia emisă de acest tip de găuri negre şi în acest scop au fost trimişi în spaţiu sateliţi precum Fermi Gamma-Ray Space Telescope, lansat în 2008.


Găurile negre care au masa în jur de 20 tone trăiesc cam o secundă!

Găurile negre care s-ar putea forma la LHC nu pot avea masa mai mare decât energia totală a protonilor care dau naştere acestei găuri negre – deci masa lor ar fi cel mult 2.4x10^-23 kg (asta pentru o energie totală de 14 TeV). Aceste găuri negre dispar în fracţiuni infime de secundă prin emisie de radiaţie Hawking! Deci nu pot înghiţi LHC-ul şi nici Pământul. Cel mult putem observa produşii de evaporare – aşa-numita radiaţie Hawking şi asta ar fi într-adevăr o descoperire epocală!


Găurile negre şi pierderea de informaţie

Ce se întâmplă cu informaţia într-o gaură neagră? Cea conţinută în obiectele din care s-a format şi în cele pe care le-a înghiţit? O gaură neagră pierde această informaţie? În prezent acest subiect este în plină dezbatere – există chiar şi un paradox al informaţiei găurii negre. A fost pus şi un pariu...

Vom prezenta acest subiect în următorul articol din cadrul seriei dedicate găurilor negre, aceşti monştri care ne-ar putea ajuta să înţelegem misterului unificării teoriei gravitaţiei cu cea a mecanicii cuantice.

Ce se întâmplă cu informaţia într-o gaură neagră?

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro. Autoarea mulţumeşte pentru colaborare dnei Diana Sirghi.