Най-странните неща във Вселената: мини черни дупки

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на мини черните дупки. Те са известни още като квантови черни дупки, защото са с много малки размери — от порядъка на елементарна частица. При такива мащаби квантовата механика играе огромна роля. Ето защо тези далечни братовчеди на обикновените и свръхмасивните черни дупки може да се окажат едни от най-странните неща във Вселената.

Според теорията, колкото по-малка е една черна дупка, толкова по-плътна трябва да бъде тя, за да съществува. Най-малката възможна черна дупка е от порядъка на Планковата маса (10^-8 kg), а известните ни закони на физиката позволяват съществуването на черни дупки с максимална плътност от 10^97 kg/m³. Такава е била плътността на ранната Вселена мигове след Големия взрив и учените предполагат, че тогава е възможно да са се образували т.нар. първични черни дупки.

Идеята за микроскопичните черни дупки вдъхновила физикът Стивън Хокинг да изследва как биха им влияли квантовите ефекти и през 1974 г. той доказал, че теоретично те би трябвало да излъчват топлинна енергия, обратно пропорционална на масите им. И докато при гигантските черни дупки тази топлина практически не може да се измери (защото е прекалено малка), то при мини черните дупки това е възможно. Този процес е известен като "изпарение".

Днес е невъзможно да създадем черна дупка в лаборатория, защото и за най-леката ще е необходима много повече енергия, отколкото можем да придадем на елементарна частица в ускорител. Дори в бъдещия LHC на CERN няма да могат да се достигнат такива високи енергии. И все пак има надежда. Според теорията, считана за най-близка до квантовата гравитация — теорията на струните (въведение) — Вселената има 11 измерения, а гравитацията е особена с това, че носителите й — гравитоните — не са обвързани с големите измерения и могат да се разпространяват и в скритите (малките) такива. Това значи, че тя (гравитацията) е много по-силна на близки разстояния от колкото се смята, което пък води до заключението, че мини черни дупки може да се образуват при доста по-ниски енергии, достижими в новия ускорител на CERN.

За сега обаче всичко това е само на теория и тепърва ще стане ясно дали Вселената наистина е устроена така. Откриването на мини черни дупки би било и силно доказателство на теорията на струните. LHC трябва да заработи през лятото на 2008 г.

________
Изображения: The case for mini black holes @ CERN
1. Симулация на черна дупка
2. Рисунка на изпарение на черна дупка

Закъсняли гама-лъчи — доказателство за квантова гравитация?

От време на време астрономите се натъкват на изненадващи открития, които се оказват предизвикателство за съществуващите теории. Когато това стане и някава работа бива публикувана в някое от престижните издания, тогава научната общност започва да работи в новите насоки. Изказват се хипотези, търсят се обяснения, наблюденията се повтарят (ако е възможно) и общо взето бавно, бавно се търси логично обяснение.

През 2005 година екип от астрономи наблюдавали такова събитие. Те насочили телескопа MAGIC към блейзара Markarian 501 и засякли поток от високоенергийни гама-лъчи. След като анализирали данните, те стигнали до странни резултати: според изчисленията им високоенергийните гама-фотони пристигнали 4±1 минути по-късно от нискоенергийните фотони. Въпросът е защо едните фотони са закъсняли (т.е. са се движели по-бавно от скоростта на светлината) и засега няма отговор.

Има няколко възможни варианта:

• Понеже тези лъчи идват от далеч (500 млн св.г.), от недрата на свръхмасивна черна дупка, която не може да погълне всичката материя, падаща върху нея, и понеже механизмите на действие на такива екзотични обекти все още не са ни изцяло ясни, то може високоенергийните лъчи да са се образували 4 минути по-късно. Учените-автори на преработената работа, пусната в arXiv обаче твърдят, че това е малко вероятно.
• Не е изключено разликата да е възникнала по време на дългото пътуване на лъчите из Космоса, защото не се знае през какво са преминали преди да достигнат нашите детектори.
• Едно по-екзотично обяснение е предвиденото от някои теории на квантовата гравитация забавяне в зависимост от енергията (честотата) на фотоните, направено преди десетина години.
  

Докато първите две обяснения са по-обикновени и може би очаквани, то третото е по-особено. Това е така, защото досега няма преки доказателства за която и да е теория на квантова гравитация. Теоретиците се надяват да получат такова доказателство възможно най-скоро, и идеята е, че това може да е дългоочакваното доказателство. Сега, ако наистина е така, то това действително ще предизвика експлозия във физиката. Може би затова редица учени са въодушевени, но само бъдещи наблюдения и изследвания ще покажат каква е истината.

Та да се върнем на "абстрактното" обяснение. (В този параграф ще пропускам изрази като "може би", "предполага се" и т.н. Ясно е, че говорейки за "квантова гравитация" всичко е на ниво непроверени хипотези.) Основната идея е, че високоенергийните фотони причиняват микроскопични флуктуации в тъканта на пространство-времето, които играят ролята на субатомни "лещи". Колкото по-висока енергия има фотонът, толкова по-големи флуктуации ще причинява, т.е. толкова по-трудно ще минава през пространство-времето, следователно ще се забави. Според някои изчисления 4-минутното закъснение за тези 500 млн св.г. се вписват прилежно в тази хипотеза. Четири минути са много, много, много кратко време отнесено към половин милиард години, но не бива да очакваме, че флуктуациите (известни още като "квантова пяна") ще имат голям ефект върху фотоните. По принцип квантовите ефекти действат на субатомно ниво (планкова дължина), което ги прави изключително трудни за откриване. Интересно също е, че от това закъснение може да се определи на какво ниво квантовата гравитация започва да действа. Според някои модели това са около 5×10^17 GeV, според други — 6×10¹º GeV.

Това обяснение на закъсняването на фотоните е по-нестандартно и съответно учените са предпазливи. Самите автори на работата се подсигуряват като твърдят, че са нужни още наблюдения на други мощни източници на гама-лъчи, както и проверка на по-конвенционални хипотези. Едно е сигурно: учените ще имат доста работа.

Относно подробности за използвания телескоп, методите и други неща: статията в блога за наука на Капитал. Допълнително попаднах на интересни нови (за мен) блогове, в които е писано по въпроса, но ще ги прегледам друг път: the reference frame, ars technica.