Astronomía

¿Podemos detectar la radiación de un agujero negro?

¿Podemos detectar la radiación de un agujero negro?


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Stephen Hawking propuso que un agujero negro emite radiación cuando se evapora.

Los agujeros negros no dejan que ninguna radiación escape de su horizonte de eventos porque incluso las partículas con la velocidad de la luz quedan atrapadas por su campo magnético.

¿Eso significa que cuando los agujeros negros emiten radiación, simplemente la reabsorben?


El agujero negro en sí no emite la radiación, sino el espacio que lo rodea. Debido a los efectos cuánticos, pequeñas partículas y antipartículas se crearán espontáneamente en todas partes (y luego se aniquilarán en una colisión). Si esto sucede justo fuera del horizonte de eventos, una partícula caerá inevitablemente en él, nunca ser visto otra vez. La otra partícula ahora está "libre" y esta es la radiación que predijo Hawking.

¿Podemos detectar la radiación de un agujero negro?

Bueno, esta radiación es demasiado pequeña para ser detectada por sí misma, incluso si el agujero negro estuviera en nuestra puerta. Sin embargo, la radiación hace que el agujero negro sea menos masivo y más pequeño y finalmente desaparecerá, produciendo un destello de rayos gamma que esperamos. es detectable, incluso desde una distancia muy grande.
Como señala @JamesK en los comentarios, esta evaporación tomará mucho tiempo para los agujeros negros 'comunes' causados ​​por las supernovas y los que se encuentran en los centros de las galaxias, pero los agujeros negros primordiales más pequeños, formados en el comienzo del universo, podrían estar evaporándose ahora. y es por eso que tenemos un telescopio que busca esos destellos de rayos gamma.


Hay tantas formas en que podemos detectar directa o indirectamente los agujeros negros que esta respuesta será necesariamente incompleta.

Aunque ninguna luz puede escapar de un agujero negro, los efectos de los agujeros negros en el espacio, la materia y la actividad que los rodea son a menudo muy dramáticos. Una de las formas más comunes es a través de un disco de acreción de materia que gira en espiral alrededor del agujero negro a medida que cae. Aquí hay una concepción artística de eso:

A medida que la materia cae, la fricción entre las partículas la calienta y hace que emita cantidades extremas de rayos X y rayos gamma. A menudo también hay chorros en los polos del agujero negro en rotación y, a veces, podemos ver esos chorros cuando afectan la materia circundante:

A veces podemos ver una estrella acercarse demasiado a un agujero negro y desgarrarse debido a las fuerzas de las mareas.

A veces, hay estrellas que orbitan un agujero negro muy cerca, lo que hace que su órbita sea súper rápida. Esto nos permite estimar la masa en la que están orbitando y determinar que debe ser un agujero negro.

Otro truco para encontrar agujeros negros implica lentes gravitacionales donde la gravedad del agujero negro desvía la luz detrás de él a medida que pasa en su camino hacia la Tierra:

Finalmente, pronto podremos detectar la fusión de un agujero negro con otro objeto masivo a través de ondas gravitacionales usando LIGO.

¡Esta lista ciertamente no está completa!

Esta respuesta es similar a la de Brandon, porque quiero enfatizar el punto que subyace a este tipo de observaciones.

Nunca podremos observar un agujero negro, porque para los observadores externos la formación de un horizonte de eventos lleva un tiempo infinito. Esto puede parecer un poco pedante, pero es un punto importante porque nuestro objetivo no es observar directamente un agujero negro, sino medir las propiedades de un sistema y de ellas inferir que el sistema debe formar un agujero negro.

Por ejemplo, tome Sagitario A $ ^ * $, que se cree que es un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia. Podemos observar estrellas en su órbita y, a partir de estas observaciones, calculamos que su masa es de aproximadamente 4,1 millones de masas solares y su tamaño es inferior a aproximadamente 6,25 horas luz. Esto no prueba que Sag A $ ^ * $ sea un agujero negro, porque el radio del horizonte de sucesos para la masa de Sag A $ ^ * $ es de unos 40 segundos luz. Sin embargo, no sabemos de ninguna manera en que una aglomeración de masa con esta densidad pueda permanecer estable durante el tiempo de vida de la Vía Láctea, por lo que inferimos que debe haber formado un agujero negro. Esperamos que las futuras mediciones del radiotelescopio hagan que los límites del radio sean aún más estrictos y aumenten nuestra confianza en que Sag A $ ^ * $ debe ser un agujero negro.

Alternativamente, tome Cygnus X-1. Podemos estimar su masa usando varios métodos y obtener una masa en el rango de 10 a 20 masas solares. Podemos poner un límite a su tamaño midiendo la escala de tiempo de los cambios en su emisión de rayos X, y obtenemos un límite superior de aproximadamente 10 $ ^ 5 $ km (un poco menos que el Sol). Esto hace que Cygnus X-1 sea al menos una estrella de neutrones, pero suponiendo que nuestros cálculos de las ecuaciones de estado estelares sean fiables, ninguna estrella de neutrones con un peso superior a 3 masas solares puede resistir el colapso en un agujero negro. Entonces, una vez más, podemos inferir la existencia de un agujero negro aunque no podamos observarlo directamente.

La respuesta de Brandon ofrece hermosos ejemplos de las mediciones que podemos hacer para obtener evidencia de que existen agujeros negros. El punto clave para entender con todo esto es que estamos tratando de poner límites más bajos a la densidad del objeto observado. Si estos límites son lo suficientemente altos, y asumiendo que nuestra comprensión actual de la física involucrada es correcta, entonces podemos inferir que el objeto está en proceso de formar un agujero negro.


¡Somos científicos que estudiamos los agujeros negros utilizando misiones y datos de la NASA! ¡Pregúntenos cualquier cosa!

ACTUALIZACIÓN: Eso es todo el tiempo que tenemos para responder preguntas. ¡Muchas gracias por acompañarnos en una conversación sobre los agujeros negros!

Los agujeros negros son objetos astronómicos con una atracción gravitacional tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos. La "superficie" de un agujero negro, llamada horizonte de sucesos, define el límite donde la velocidad necesaria para escapar excede la velocidad de la luz, que es el límite de velocidad del cosmos. La materia y la radiación entran, ¡pero no pueden salir! A pesar de su reputación como las aspiradoras del universo, la gravedad de un agujero negro no se comporta de manera diferente a como lo haría con cualquier otro objeto; solo cuando te acercas mucho las cosas comienzan a ponerse raras.

Las misiones y los investigadores de la NASA han estudiado los agujeros negros durante décadas utilizando una serie de telescopios, como Chandra, Fermi, NICER, Hubble, NuSTAR y Swift, utilizando luz en casi todas las longitudes de onda. Los científicos también producen visualizaciones de la materia alrededor de los agujeros negros para comprender mejor las teorías que gobiernan los agujeros negros y ayudarnos a dar sentido a la luz que vemos.

¡Los científicos de los agujeros negros se están reuniendo hoy para charlar y responder sus preguntas sobre estos objetos cósmicos exóticos y, a menudo, incomprendidos!

Los científicos responden a sus preguntas a partir de las 2 p.m. EDT incluye:

Bernard Kelly (BK) | Científico investigador asistente de CRESST, Universidad de Maryland Condado de Baltimore / Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Daryl Haggard (DH) | Profesor asistente de física, Universidad McGill

Eileen T. Meyer (ETM) | Profesor asistente de física, Universidad de Maryland, condado de Baltimore

James Radomski (JTR) | Científico, Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA), Centro de Investigación Ames de la NASA

Rebecca A. Phillipson (RAP) | Investigador graduado Harriett G Jenkins, Drexel University / NASA Goddard Space Flight Center

Scott Noble (SN) | [título / organización]

Sibasish Laha (SL) | Investigador científico asistente, Universidad de Maryland / Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA, EE. UU.

Tyson Littenberg (TBL) | Astrofísico investigador, Centro Marshall de vuelos espaciales de la NASA

Varoujan Gorjian (VG) | Astrónomo investigador, NASA / JPL / Caltech

Personal de soporte de comunicaciones que ayuda a facilitar esta AMA:

Barb Mattson (BJM) | Científico de Astrofísica en Comunicaciones, Universidad de Maryland / Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Jeanette Kazmierczak (JK) | Escritor científico junior de astrofísica, University of Maryland / NASA Goddard Space Flight Center

Kelly Ramos (KR) | Especialista junior en astrofísica en redes sociales, Syneren Technologies / NASA Goddard Space Flight Center

Sara Mitchell (SEM) | Responsable de redes sociales de astrofísica, University of Maryland / NASA Goddard Space Flight Center


¿Podemos identificar los agujeros negros Massless Braneworld (BWBH) y distinguirlos de los agujeros de gusano y de Schwarzschild BH? (Cosmología / Astronomía)

En 2016, LIGO detectó ondas gravitacionales, que se supone que son señales de coalescencia de dos agujeros negros. En 2019, la colaboración del Event Horizon Telescope (EHT) produjo la primera imagen de un agujero negro, que se encuentra en el centro de la galaxia M87 a 55 millones de años luz de la Tierra. La imagen mostraba un anillo brillante con un centro oscuro, que es el agujero negro y la sombra # 8217s. Estos rápidos avances en las tecnologías de observación para detectar agujeros negros también nos darán la oportunidad de descubrir objetos compactos exóticos como estrellas bosones, gravastars, agujeros de gusano, agujeros negros no abelianos y agujeros negros del mundo brana.

Para detectar tales objetos, es necesario comprender de antemano las predicciones teóricas para la observación. Con este propósito, en los últimos años se han estudiado las consecuencias observacionales de las estrellas de bosones, gravastars, agujeros de gusano y agujeros negros del mundo brana.

Entre muchos modelos de agujeros negros del mundo-brana, los agujeros negros sin masa, en los que la curvatura se produce solo por un efecto de marea, son de importancia observacional porque sus efectos de lente gravitacional son característicos y discriminatorios. Ahora, Ohgami y sus colegas estudiaron con más detalle las lentes gravitacionales de los agujeros negros del mundo brana sin masa. Específicamente, estudiaron su microlente y sus sombras, y discutieron si podemos distinguirlos de los agujeros negros estándar de Schwarzschild y los agujeros de gusano de Ellis por radio o observaciones electromagnéticas.

Primero, estudiaron los ángulos de defección de los rayos de luz que pasan alrededor de esos objetos. Trabajos anteriores mostraron que ambos ángulos de deflexión del agujero negro del mundo brana y el agujero de gusano de Ellis son proporcionales a α¯ 2, mientras que el del agujero negro de Schwarzschild a α¯ 1. Ohgami y col. por lo tanto, se especuló que el agujero negro del mundo brana y el agujero de gusano de Ellis pueden exhibir características similares en los fenómenos de microlentes.

HIGO. 1: Resultados numéricos de la luminosidad de la radiación para el agujero negro de Schwarzschild (rojo), el agujero negro del mundo brana (azul) y el agujero de gusano de Ellis (verde). © Ohgami y col.

Para dilucidar las consecuencias de la observación de esos fenómenos de microlentes, calcularon imágenes de un objeto de fuente óptica detrás de un objeto de lente para los tres modelos y sus curvas de luz. Descubrieron que tanto para el agujero negro del mundo brana como para el agujero de gusano de Ellis, la reducción de la luminosidad aparece justo antes y después de la amplificación. Esto significa que las observaciones de tal reducción indicarían que el objeto de la lente es un agujero negro del mundo brana o un agujero de gusano, aunque es difícil distinguir uno del otro mediante microlentes únicamente.

HIGO. 2:Configuración de su análisis para la obtención de imágenes ópticas. Pusieron un observador, una fuente de gravedad y polvo a su alrededor. El polvo cae constantemente en la fuente de gravedad © Ohgami et al.

Por lo tanto, analizaron a continuación las imágenes ópticas del agujero negro del mundo brana rodeado de polvo ópticamente delgado y las compararon con las del agujero de gusano de Ellis. Debido a que el espacio-tiempo alrededor del agujero negro del mundo-brana posee órbitas circulares inestables de fotones, aparece un anillo brillante en la imagen, al igual que en el espacio-tiempo de Schwarzschild o en el espacio-tiempo del agujero de gusano. Esto indica que la aparición de un anillo brillante no solo confirma un agujero negro del mundo brana, un Schwarzschild o un agujero de gusano de Ellis. Sin embargo, encontraron que solo para el agujero de gusano, la intensidad dentro del anillo es mayor que la intensidad del exterior. Sus resultados significan que las observaciones de las sombras distinguirían los agujeros negros de los agujeros de gusano de Ellis.

Por lo tanto, llegaron a la conclusión de que, con futuras observaciones de interferometría de línea de base muy largas de alta resolución de microlentes y sombras juntas, podríamos identificar los agujeros negros del mundo brana, si existen.

Referencia: M. Kuniyasu, K. Nanri, N. Sakai, T. Ohgami, R. Fukushige, S. Koumura, & # 8220 ¿Podemos identificar agujeros negros del mundo brana sin masa mediante observaciones? & # 8221, Phys. Rev. D 97, 104063 - Publicado el 29 de mayo de 2018. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.104063

Los derechos de autor de este artículo pertenecen totalmente a nuestro autor S. Aman. Uno puede reutilizarlo solo dándole el crédito adecuado a él o a nosotros.


Hoy en día, ver un objeto prácticamente se logra capturando las ondas electromagnéticas emitidas o reflejadas por esa cosa y formando una imagen de ese objeto. Los agujeros negros no reflejan ni emiten ondas electromagnéticas (excepto la radiación de Hawking, que puede ser una cantidad demasiado pequeña para verlos). La razón para no reflejar y no emitir es que la enorme gravedad del agujero negro no permite que nada, incluida la luz, se escape de él.

Sin embargo, si los científicos logran detectar las ondas gravitacionales, entonces será posible ver algunos agujeros negros en forma de ondas gravitacionales. Hasta entonces, los agujeros negros solo se pueden detectar debido a su influencia en la luz y las estrellas cercanas.

Por definición, un agujero negro es un objeto tan masivo que su gravedad evita que cualquier cosa se escape de él, incluida la luz, una vez dentro de su horizonte de eventos. Sin embargo, se pueden observar sus efectos. Aparecería como una esfera negra contra estrellas de fondo y similares.

El horizonte de sucesos de un agujero negro marca el límite de un campo gravitacional tan fuerte que cualquier objeto conocido en este universo, incluido un fotón de luz, necesitaría alcanzar una velocidad de escape mayor que la velocidad de la luz para superar la atracción de la luz. campo gravitacional. Como la velocidad de la luz marca el límite superior de velocidad en este universo de acuerdo con la Relatividad General, la luz no puede alcanzar la velocidad de escape requerida.

Fuera del horizonte de eventos, los efectos de un agujero negro son visibles. La luz de esos efectos eventualmente llegará a un observador. Pero dentro del horizonte de eventos, los fotones avanzan hacia un futuro que es invisible para un observador externo.

Todo objeto tiene una velocidad de escape, la velocidad que si se le da a un objeto, dicho objeto nunca retrocederá. En la Tierra eso es 11,19 metros por segundo. Para un agujero negro, esa velocidad es mayor que la velocidad de la luz o 299,792,458 metros por segundo. Si la velocidad de escape es mayor que eso, entonces la luz no tiene suficiente velocidad para escapar de dicho objeto.

Sí, tiene usted razón. Vemos un objeto porque cuando la luz golpea el objeto, se refleja y llega a nuestro ojo a través del espacio, del cual se forma la imagen en Retina..

El campo gravitacional de Black Hole es tan fuerte que ni siquiera una luz puede escapar de él. Aunque no podemos ver un agujero negro en sí, pero podemos ver los efectos del agujero en la materia cercana. Podemos detectarlo con la ayuda de un telescopio de rayos X (como ... Observatorio de rayos X Chandra)

Entonces, si el gas de una estrella cercana fuera succionado hacia el agujero negro, la intensa energía gravitacional calentaría el gas a millones de grados. Las emisiones de rayos X resultantes podrían apuntar a la presencia del agujero negro.

Black Hole emite una gran cantidad de rayos X, pero nuestra atmósfera absorbe principalmente, por lo que es muy difícil detectar rayos X aquí abajo, por lo que tenemos telescopios espaciales para detectar fuentes de rayos X desde el otro extremo.


¡Somos científicos que estudiamos los agujeros negros utilizando misiones y datos de la NASA! ¡Pregúntenos cualquier cosa!

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Los agujeros negros son objetos astronómicos con una atracción gravitacional tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos. La "superficie" de un agujero negro, llamada horizonte de sucesos, define el límite donde la velocidad necesaria para escapar excede la velocidad de la luz, que es el límite de velocidad del cosmos. La materia y la radiación entran, ¡pero no pueden salir! A pesar de su reputación como las aspiradoras del universo, la gravedad de un agujero negro no se comporta de manera diferente a como lo haría con cualquier otro objeto; solo cuando te acercas mucho las cosas comienzan a ponerse raras.

Las misiones y los investigadores de la NASA han estudiado los agujeros negros durante décadas utilizando una serie de telescopios, como Chandra, Fermi, NICER, Hubble, NuSTAR y Swift, utilizando luz en casi todas las longitudes de onda. Los científicos también producen visualizaciones de la materia alrededor de los agujeros negros para comprender mejor las teorías que gobiernan los agujeros negros y ayudarnos a dar sentido a la luz que vemos.

¡Los científicos de los agujeros negros se están reuniendo hoy para charlar y responder sus preguntas sobre estos objetos cósmicos exóticos y, a menudo, incomprendidos!

Los científicos responden a sus preguntas a partir de las 2 p.m. EDT incluye:

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Daryl Haggard (DH) | Profesor asistente de física, Universidad McGill

Eileen T. Meyer (ETM) | Profesor asistente de física, Universidad de Maryland, condado de Baltimore

James Radomski (JTR) | Científico, Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA), Centro de Investigación Ames de la NASA

Rebecca A. Phillipson (RAP) | Investigador graduado Harriett G Jenkins, Drexel University / NASA Goddard Space Flight Center

Scott Noble (SN) | [título / organización]

Sibasish Laha (SL) | Investigador científico asistente, Universidad de Maryland / Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA, EE. UU.

Tyson Littenberg (TBL) | Astrofísico investigador, Centro Marshall de vuelos espaciales de la NASA

Varoujan Gorjian (VG) | Astrónomo investigador, NASA / JPL / Caltech

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Barb Mattson (BJM) | Científico de Astrofísica en Comunicaciones, Universidad de Maryland / Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Jeanette Kazmierczak (JK) | Escritor científico junior de astrofísica, University of Maryland / NASA Goddard Space Flight Center

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Sara Mitchell (SEM) | Responsable de redes sociales de astrofísica, University of Maryland / NASA Goddard Space Flight Center


Los científicos detectan cambios rápidos en un agujero negro que pueden explicar los estallidos de rayos gamma

Crédito: CC0 Public Domain

Algunos de los agujeros negros más masivos y distantes del universo emiten una enorme cantidad de radiación extraordinariamente energética llamada rayos gamma. Este tipo de radiación ocurre, por ejemplo, cuando la masa se convierte en energía durante las reacciones de fisión que hacen funcionar los reactores nucleares en la Tierra. Pero en el caso de los agujeros negros, la radiación gamma es incluso más energética que la que se produce en los reactores nucleares y es producto de procesos muy diferentes allí, los rayos gamma son creados por colisiones entre rayos de luz y partículas altamente energéticas nacidas en las cercanías del negro. agujeros por medio de mecanismos aún poco conocidos.

Como resultado de estas colisiones entre la luz y la materia, las partículas energéticas ceden casi todo su impulso a los rayos de luz y los convierten en la radiación gamma que acaba llegando a la Tierra.

La comunidad científica astronómica sospecha que estas colisiones ocurren en regiones permeadas por poderosos campos magnéticos sometidos a procesos altamente variables, como turbulencias y reconexiones magnéticas (campos magnéticos que se fusionan, liberando una asombrosa cantidad de energía) que podrían estar ocurriendo en los chorros de materia expulsada por los agujeros negros. Pero sondear estos campos magnéticos a miles de millones de años luz de distancia de la Tierra requiere dispositivos muy sensibles y encontrar el momento exacto en el que se produce la emisión de alta energía.

Esto es precisamente lo que ha conseguido el equipo de investigación liderado por Iván Martí-Vidal, investigador CIDEGENT de la Generalitat Valenciana en el Observatorio Astronómico y Departamento de Astronomía de la Universitat de València, y autor principal de este trabajo. Este equipo ha utilizado ALMA (Atacama Large Millimeter Array), el telescopio más sensible del mundo en longitudes de onda milimétricas, para obtener información precisa sobre los campos magnéticos de un agujero negro distante, en un momento en que las partículas energéticas producían una enorme cantidad de gamma. radiación.

En un artículo publicado recientemente en Astronomía y Astrofísica, los científicos informan de observaciones del agujero negro llamado PKS1830-211, ubicado a más de 10 mil millones de años luz de la Tierra. Estas observaciones demuestran que los campos magnéticos en la región donde se producen las partículas más energéticas del chorro del agujero negro estaban cambiando su estructura notablemente en un intervalo de tiempo de solo unos pocos minutos.

“Esto implica que los procesos magnéticos se originan en regiones muy pequeñas y turbulentas, tal y como predicen los principales modelos de producción de rayos gamma en los agujeros negros, que relacionan la turbulencia con la radiación gamma”, explica Iván Martí-Vidal. "Por otro lado, los cambios que hemos detectado se produjeron durante un episodio de rayos gamma muy potente, lo que nos permite relacionarlos de forma robusta con la emisión de alta energía. Todo esto nos acerca un poco más a comprender el origen de la la radiación más energética del universo ", añade.

Interferometría y nuevos algoritmos

Para analizar estos datos, el equipo de Martí-Vidal ha utilizado una técnica de análisis avanzada que les permite obtener información de fuentes rápidamente cambiantes a partir de observaciones interferométricas, como las obtenidas con ALMA. “La interferometría nos da el poder de observar el universo con un nivel de detalle inigualable de hecho, es la técnica en la que también se basa el Event Horizon Telescope (EHT), que recientemente obtuvo la primera imagen de un agujero negro”, dice Martí. -Vidal. “Una parte de nuestro proyecto CIDEGENT está, de hecho, dedicada a desarrollar algoritmos como el que hemos utilizado en estas observaciones de ALMA, pero aplicable a datos mucho más complejos como los del EHT, que nos permitirían reconstruir, en un Un futuro próximo, 'películas' de agujeros negros, en lugar de meras imágenes ”, apunta el astrónomo de la Universidad de Valencia.

Alejandro Mus, investigador predoctoral CIDEGENT del Departamento de Astronomía de la UV y coautor del artículo, desarrolla su tesis doctoral en este campo. "Dentro del proyecto EHT, hay muchos expertos de varias instituciones que trabajan contrarreloj para resolver el problema de la variabilidad rápida de la fuente", dice Mus. “Por el momento, el algoritmo que hemos desarrollado trabaja con los datos de ALMA y ya nos ha permitido obtener información clave sobre cómo cambian los campos magnéticos asociados a PKS1830-211 a escalas de unas pocas decenas de minutos. Esperamos poder Contribuiremos pronto al EHT con los algoritmos más sofisticados en los que estamos trabajando ”, concluye.


Estos experimentos de próxima generación pueden confirmar la existencia de un agujero negro primordial (astronomía)

Valentina De Romeri y sus colegas investigaron la posibilidad de detección de neutrinos a partir de la evaporación de PBH con futuros experimentos de neutrinos. Descubrieron que los experimentos de neutrinos de próxima generación como DUNE y THEIA podrán detectar neutrinos de los PBH en evaporación y proporcionarán información relevante sobre la naturaleza de la materia oscura (DM). Su estudio apareció recientemente en Arxiv.

Los agujeros negros primordiales son un tipo hipotético de agujeros negros que se formaron poco después del Big Bang. No son bariónicos y son posibles candidatos a la materia oscura. Varios estudios revelaron que los agujeros negros primordiales ligeros se evaporarían y emitirían flujos considerables de neutrinos MeV a través de la evaporación a través de la radiación de Hawking.

Ahora, Valentina De Romeri y sus colegas investigaron la posibilidad de detectar estos neutrinos con los futuros experimentos de neutrinos: DUNE y THEIA. La especialidad de estos experimentos es que se basarán en diferentes tecnologías de detección, argón líquido para DUNE y centelleador líquido a base de agua para THEIA. Esto les permite producir información complementaria sobre la posible detección de neutrinos MeV a partir de la evaporación de PBH.

Figura 1:Se espera 95% C.L. sensibilidades sobre la fracción de DM en forma de PBHs (fPBH) en función de MPBH en DUNE. El panel de la izquierda asume una distribución de masa monocromática de PBH y tres giros diferentes. El panel de la derecha es para una distribución de masa de PBH log-normal con diferentes anchos © Valentina De Romeri et al.

También han investigado cómo, dependiendo de la masa y el giro de los agujeros negros primordiales, cambiaría el flujo de neutrinos esperado. Además, han considerado distribuciones de masa de PBH monocromáticas y extendidas.

& # 8220 Simulamos los espectros de eventos esperados en ambos experimentos asumiendo diferentes distribuciones de masa de PBH y espines, y extraemos el 95% esperado de C.L. sensibilidades a estos escenarios. & # 8221

Demostraron que tanto DUNE como THEIA podrían mejorar considerablemente los límites existentes de SuperKamiokande en la abundancia de PBH con masas entre 10 15 y 10 16 gy incluso permitir sondear PBH más pesados. DUNE es especialmente para la detección de agujeros negros primordiales de baja masa, es decir, debajo

3 × 10 15. A medida que aumenta la masa de PBH, el flujo general disminuye y se desplaza a energías más bajas. El límite de energía baja de DUNE & # 8217 para estas búsquedas se fija en 16 MeV, ya que a energías más bajas el flujo de neutrinos solares sería órdenes de magnitud mayor. La sensibilidad DUNE es ligeramente peor en masas de PBH más grandes. Y eso es & # 8217s cuando THEIA entra. THEIA & # 8217s límite de energía baja para estas búsquedas es de alrededor de 10-20 MeV y puede mejorar la sensibilidad a los PBH de masas mayores de ∼ 8 × 10 15 g con respecto a la sensibilidad de un líquido centelleador, al reducir el gran fondo de neutrinos atmosféricos.

Figura 2:Se espera 95% C.L. sensibilidades sobre la fracción de DM en forma de PBHs (fPBH) en función de MPBH en THEIA, asumiendo 20/80 kton de volumen fiducial (paneles superior / inferior). Los paneles de la izquierda asumen una distribución de masa monocromática de PBH y tres giros diferentes. Los paneles de la derecha son para una distribución de masa de PBH log-normal con diferentes anchos © Valentina De Romeri et al.

Además, si los PBH siguen una distribución de masa monocromática, DUNE y THEIA podrán excluir los PBH no giratorios como único componente de la materia oscura hasta masas de 7 × 10 15 gy 9 × 10 15 g, respectivamente.

Además, encontraron que, si los PBH están girando, se mejora el flujo de neutrinos. Por tanto, las sensibilidades derivadas de su abundancia son más fuertes.

& # 8220Futuros experimentos de neutrinos como DUNE y THEIA podrán establecer restricciones competitivas sobre la materia oscura PBH, proporcionando así sondas complementarias en una parte del espacio de parámetros de PBH actualmente restringido principalmente por datos de fotones. & # 8221

- autores concluidos del estudio

Referencia: Valentina De Romeri, Pablo Martínez-Miravé, Mariam Tórtola, & # 8220 Firmas de materia oscura del agujero negro primordial en DUNE y THEIA & # 8221, Arxiv, 2021. https://arxiv.org/abs/2106.05013

Nota para los editores de otros sitios web: Para reutilizar este artículo total o parcialmente, dé crédito a nuestro autor / editor S. Aman o proporcione un enlace a nuestro artículo.


Cómo encontrar y estudiar un agujero negro

Imagínese, en algún lugar de la galaxia, el cadáver de una estrella tan densa que perfora el tejido del espacio y el tiempo. Tan denso que devora cualquier materia circundante que se acerque demasiado, empujándola hacia una corriente de gravedad de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.

Y una vez que la materia cruza el punto de no retorno, el horizonte de sucesos, gira sin poder hacer nada hacia un punto casi infinitamente pequeño, un punto donde el espacio-tiempo es tan curvo que todas nuestras teorías se derrumban: la singularidad. Nadie sale vivo.

Los agujeros negros suenan demasiado extraños para ser reales. Pero en realidad son bastante comunes en el espacio. Hay docenas de conocidas y probablemente millones más en la Vía Láctea y mil millones de veces más acechando afuera. Los científicos también creen que podría haber un agujero negro supermasivo en el centro de casi todas las galaxias, incluida la nuestra. Los ingredientes y la dinámica de estas monstruosas deformaciones del espacio-tiempo han confundido a los científicos durante siglos.

Una historia de agujeros negros

Todo comenzó en Inglaterra en 1665, cuando una manzana se desprendió de la rama de un árbol y cayó al suelo. Isaac Newton, mirando desde su jardín en Woolsthorpe Manor, comenzó a pensar en el descenso de la manzana: una línea de pensamiento que, dos décadas después, terminó con su conclusión de que debe haber algún tipo de fuerza universal que gobierne el movimiento de las manzanas y las balas de cañón e incluso planetarias. cuerpos. Lo llamó gravedad.

Newton se dio cuenta de que cualquier objeto con masa tendría una atracción gravitacional. Descubrió que a medida que aumenta la masa, aumenta la gravedad. Para escapar de la gravedad de un objeto, necesitaría alcanzar su velocidad de escape. Para escapar de la gravedad de la Tierra, necesitaría viajar a una velocidad de aproximadamente 11 kilómetros por segundo.

Fue el descubrimiento de Newton de las leyes de la gravedad y el movimiento lo que, 100 años después, llevó al reverendo John Michell, un erudito británico, a la conclusión de que si hubiera una estrella mucho más masiva o mucho más comprimida que el sol, su velocidad de escape podría sobrepasar incluso la velocidad de la luz. Llamó a estos objetos "estrellas oscuras". Doce años más tarde, el científico y matemático francés Pierre Simon de Laplace llegó a la misma conclusión y ofreció pruebas matemáticas de la existencia de lo que ahora conocemos como agujeros negros.

En 1915, Albert Einstein expuso la revolucionaria teoría de la relatividad general, que consideraba el espacio y el tiempo como un objeto curvo de cuatro dimensiones. En lugar de ver la gravedad como una fuerza, Einstein la vio como una deformación del espacio y el tiempo mismo. Un objeto masivo, como el sol, crearía una abolladura en el espacio-tiempo, un pozo gravitacional, haciendo que cualquier objeto circundante, como los planetas de nuestro sistema solar, siguiera una trayectoria curva a su alrededor.

Un mes después de que Einstein publicara esta teoría, el físico alemán Karl Schwarzschild descubrió algo fascinante en las ecuaciones de Einstein. Schwarzschild encontró una solución que llevó a los científicos a la conclusión de que una región del espacio podría deformarse tanto que crearía un pozo gravitacional del que ningún objeto podría escapar.

Hasta 1967, a estas misteriosas regiones del espacio-tiempo no se les había otorgado un título universal. Los científicos lanzaron términos como "colapsar" o "estrella congelada" cuando discutían las tramas oscuras de la gravedad ineludible. En una conferencia en Nueva York, el físico John Wheeler popularizó el término "agujero negro".

Cómo encontrar un agujero negro

Durante la formación de las estrellas, la gravedad comprime la materia hasta que la presión interna de la estrella la detiene. Si la presión interna no detiene la compresión, puede resultar en la formación de un agujero negro.

Algunos agujeros negros se forman cuando las estrellas masivas colapsan. Otros, creen los científicos, se formaron muy temprano en el universo, mil millones de años después del Big Bang.

No hay límite para lo inmenso que puede ser un agujero negro, a veces más de mil millones de veces la masa del sol. Según la relatividad general, tampoco hay límite para lo pequeños que pueden ser (aunque la mecánica cuántica sugiere lo contrario). Los agujeros negros crecen en masa a medida que continúan devorando la materia circundante. Los agujeros negros más pequeños acumulan materia de una estrella compañera, mientras que los más grandes se alimentan de cualquier materia que se acerque demasiado.

Los agujeros negros contienen un horizonte de sucesos, más allá del cual ni siquiera la luz puede escapar. Debido a que no puede salir luz, es imposible ver más allá de esta superficie de un agujero negro. Pero el hecho de que no pueda ver un agujero negro no significa que no pueda detectar uno.

Scientists can detect black holes by looking at the motion of stars and gas nearby as well as matter accreted from its surroundings. This matter spins around the black hole, creating a flat disk called an accretion disk. The whirling matter loses energy and gives off radiation in the form of X-rays and other electromagnetic radiation before it eventually passes the event horizon.

This is how astronomers identified Cygnus X-1 in 1971. Cygnus X-1 was found as part of a binary star system in which an extremely hot and bright star called a blue supergiant formed an accretion disk around an invisible object. The binary star system was emitting X-rays, which are not usually produced by blue supergiants. By calculating how far and fast the visible star was moving, astronomers were able to calculate the mass of the unseen object. Although it was compressed into a volume smaller than the Earth, the object's mass was more than six times as heavy as our sun.

Several different experiments study black holes. The Event Horizon Telescope will look at black holes in the nucleus of our galaxy and a nearby galaxy, M87. Its resolution is high enough to image flowing gas around the event horizon.

Scientists can also do reverberation mapping, which uses X-ray telescopes to look for time differences between emissions from various locations near the black hole to understand the orbits of gas and photons around the black hole.

The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, or LIGO, seeks to identify the merger of two black holes, which would emit gravitational radiation, or gravitational waves, as the two black holes merge.

In addition to accretion disks, black holes also have winds and incredibly bright jets erupting from them along their rotation axis, shooting out matter and radiation at nearly the speed of light. Scientists are still working to understand how these jets form.

What we don't know

Scientists have learned that black holes are not as black as they once thought them to be. Some information might escape them. In 1974, Stephen Hawking published results that showed that black holes should radiate energy, or Hawking radiation.

Matter-antimatter pairs are constantly being produced throughout the universe, even outside the event horizon of a black hole. Quantum theory predicts that one particle might be dragged in before the pair has a chance to annihilate, and the other might escape in the form of Hawking radiation. This contradicts the picture general relativity paints of a black hole from which nothing can escape.

But as a black hole radiates Hawking radiation, it slowly evaporates until it eventually vanishes. So what happens to all the information encoded on its horizon? Does it disappear, which would violate quantum mechanics? Or is it preserved, as quantum mechanics would predict? One theory is that the Hawking radiation contains all of that information. When the black hole evaporates and disappears, it has already preserved the information of everything that fell into it, radiating it out into the universe.

Black holes give scientists an opportunity to test general relativity in very extreme gravitational fields. They see black holes as an opportunity to answer one of the biggest questions in particle physics theory: Why can't we square quantum mechanics with general relativity?

Beyond the event horizon, black holes curve into one of the darkest mysteries in physics. Scientists can't explain what happens when objects cross the event horizon and spiral toward the singularity. General relativity and quantum mechanics collide and Einstein's equations explode into infinities. Black holes might even house gateways to other universes called wormholes and violent fountains of energy and matter called white holes, though it seems very unlikely that nature would allow these structures to exist.



Comentarios:

  1. Anastasio

    Permites el error. Ofrezco discutirlo. Escríbeme en PM, lo manejaremos.

  2. Osmin

    Puedo recomendar entrar en un sitio en el que hay mucha información sobre esta cuestión.

  3. Farhan

    Concedido, esa es una respuesta notable.



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