Ce este o gaura neagra?
Pentru ca articolul meu despre acceleratorul de particule de la Geneva a iscat o serie de comentarii zilele acestea, cele mai multe dezbatand pericolul gaurilor negre si amenintarea acestora, o data cu experimentul de la CERN, revin cu un text care explica mai pe larg fenomenul acestora.
Gaura neagra este o regiune din spatiu in jurul unui corp, fie el o particula elementara sau un corp ceresc, care creeaza un camp gravitational atat de puternic incat nimic nu mai poate iesi de aici, nici chiar lumina. Prin captarea de materie, aceasta gaura neagra se mareste si devine mai puternica, atragand si mai multa materie din jur, comprimand-o la dimensiuni de ordinul 10-33cm, adica de 1/1000000000000000000000 (sau de 10-21) ori mai mica decat dimensiunea unui proton.
Daca luam Pamantul, pentru ca acesta sa se transforme intr-o gaura neagra ar trebui ca intreaga lui masa sa incapa intr-o sfera cu raza de 9 mm (cat un degetar). La asemenea comprimari nu mai avem nici materie vie, nici molecule, nici atomi, nici electroni, nici protoni si nici orice alta particula elementara sau vreo structura organizata.
Pentru crearea de gauri negre se au in vedere interactii in care se depun energii deosebit de mari in volume infime, astfel incat sa se obtina densitati de energie (de masa) uriase. Evident, asemenea afirmatii ca uriase, infime nu au nici un sens in stiinta. Cat de mari sau cat de mici, aceste marimi trebuiesc evaluate numeric. Hai sa facem o evaluare.
Pentru a avea o idee de ce valori sunt puse in joc in acest scop, amintim ca LHC-ul, desi va lucra la energii nemai-intalnite, respectiv la 7 Tera-electron-Volti (1 TeV = 1012 eV ) per proton accelerat (1 eV este energia pe care o capata un electron in campul electric creat de o baterie de 1 V). Aceasta energie de 7 TeV nu este mai mare ca cea a unui tantar aflat in zbor. Problema se pune insa in termeni de densitate de energie. Tinand cont ca la LHC protonii in interactie, cu energii totale de 7 TeV + 7 TeV, depun aceasta energie intr-un volum de 1/1000000000000 sau 10-12 din volumul tantarului, densitatile de energie care se obtin sunt foarte mari. Aceasta energie se transforma partial in masa particulelor ce rezulta din interactie.
Pentru ca sa rezulte o gaura neagra, ca si particula libera, trebuie depusa o energie minima de marimea masei Planck mP ≈ 0.02 mg sau 1.2 × 1016 TeV/c2, intr-un volum cu dimensiunea razei Schwarzschild rS ≈ 10-33 cm. Aceasta este dincolo de orice posibilitati tehnologice curente. Pentru a realiza ciocnirea a doua particule la asemenea distante mici, folosind tehnologia de azi, ar trebui un accelerator cu diametru de 1000 ani-lumina. Totusi, in unele modele teoretice de gravitatie cuantica, ce folosesc mai mult de 3+1 dimensiuni spatio-temporale, valoarea masei Planck poate cobori pana la ordinul unitatilor de TeV-i, adica in limitele LHC-ului.
In acest fel, la ciocnirea protonilor chiar si cu energii de ordinul TeV-ilor s-ar putea produce micro-gauri negre. Cu cresterea energiei de ciocnire, probabilitatea de formare a acestora este mai mare. Dar, daca nu depasesc o valoare critica, aceste gauri negre nu reusesc sa se dezvolte, ele se dezintegreaza mai repede, prin radiatie Hawking, cu emisie de quarci, leptoni si bosoni, in mai putin de 10-26 sec. Tocmai detectarea acestor produsi de dezintegrare, va permite identificarea si masurarea posibilelor micro-gauri negre la LHC. Acestea insa sunt inofensive. Dovada cea mai buna este ca Pamantul nu a disparut, desi producerea de micro-gauri negre are loc zilnic in atmosfera, in urma interactiile cu razele cosmice, in particular cu protonii de mare energie (chiar mai mare decat energia celor de la LHC).
In graficul de mai jos (dupa Peskin) se prezinta numarul de ciocniri ale protonilor din razele cosmice cu diferite energii (date pe abscisa) pe care le-a suferit Pamantul si Soarele (liniile albe) timp de un miliard de ani (Gyr – Giga years). Linia verticala roz, la intersectia cu linia corespunzatoare pentru Pamant, specifica acelesi numar de interactii proton – proton ce se pot obtine la LHC timp de un an de functionare. Deci, in atmosfera pamantului s-au produs mult mai multe asemenea interactii ca la LHC si totusi nu a aparut nici o gaura neagra devastatoare.
