Mikro kara delik

Mikro kara delikler, mekanik kuantum kara delikleri veya mini kara delikler olarak da adlandırılır, varsayımsal minik kara delikler, kuantum mekaniği etkileri için önemli bir rol oynar.

Bu tür ilkel kara delikler, evrenin oluşumundaki yüksek yoğunluklu ortamda (büyük patlamada) veya sonraki aşamalarda oluşmuş olabilirler. onların, parçacıklar vasıtasıyla, hawking radyasyonunu yaymaları beklenmektedir. Onlar, astrofizikçiler tarafından yakın gelecekte, gözlemlenebilir.

Uzay boyutlarını içeren bazı hipotezler, mikro kara deliklerin TeV (teraelectronvolt) aralığı, LHC (Large Hadron Collider, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) gibi parçacık hızlandırıcılarında mevcut olduğu gibi düşük enerjiye dönüşmüş olabileceğini tahmin ediyor. Daha sonra dünyanın sonu senaryoları gibi popüler kaygılar gündeme geldi (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ile Parçacık Çarpışmaları Güvenliğine bakınız).

Ancak bu tür kuantum kara delikler anında, tamamen ya da çok zayıf etkileşim kalıntısı bırakarak buharlaşır. Teorik argümanlar yanında, onlar, TeV’in yüzlerce aralığında, toplu enerjilerin merkezine ulaşmasına rağmen,  dünya’yı kozmik ışınların bombardımanına tutmanın, zarar vermediğini fark edebiliriz.

Bir kara deliğin minimum kütlesi

Prensip olarak, bir kara delik, herhangi bir kütleye eşit veya Planck kütlesinden fazla olabilir (yaklaşık 22 mikrogram). Bir kara delik açmak için bir kitle veya enerji, yeterince konsantre olmalı, konsantre olduğu bölgeden kaçış hızı ise ışık hızını aşmalıdır. Bu durum, formülü ile G yerçekimi sabiti, c ışık hızı ve M kara delik kütlesi ile hesaplanarak, Schwarzschild çapı bulunur. Diğer yandan, Compton dalgaboyu, h'nin Planck sabiti olduğu, geri kalan kitlenin ise M ile lokalize edilebileceği bölgenin minimum boyutu için bir sınır temsil eder. Yeterince küçük M için, azaltılmış Compton dalgaboyu (, h’nin olduğu yer azaltılmış planck sabitidir) yarım Schwarzschild yarıçapını aşmakta ve hiçbir kara delik açıklaması bulunmamaktadır. Bir kara delik için bu küçük kitle yaklaşık Planck kitlesi kadardır.  

Bugünkü fiziğin bazı uzantıları, uzayın ekstra boyutlarının varlığını, varsayımsal olarak ele alıyor. Yüksek boyutlu uzayda, üç boyuttan farklı olarak, yerçekiminin gücü hızlı bir şekilde artınca mesafeler daha da azalır. Ekstra boyutların bazı özel yapılandırmalarıyla, bu etki Planck ölçeğini TeV aralığına düşürebilir. Bu tür uzantı örnekleri, string teorisi yapılandırması, GKP çözümleri gibi büyük ekstra boyutlar, Randall-Sundrum modeli gibi özel durumları içerir. Bu senaryolarda, kara delik üretimi mümkün olabilir, LHC’ye önemli ve gözlemlenebilir etkileri olabilir. Aynı zamanda kozmik ışınların yol açtığı yaygın bir doğa harikası olacaktır.   

Bütün bu varsayımlar, genel teoriler, küçük mesafelerde geçerli kalır. Aksi takdirde, şu an bilinmeyen etkileri, kara deliğin minimum boyutunu sınırlar. Temel parçacıklar, kuantum-mekaniği, iç açısal momentum (Bir temel parçacığın devinim süresi) ile donatılmıştır.  

Eğri uzay maddesi, toplam açısal momentum için doğru koruma kanununa ve uzay bükülme özelliğine sahip olmasını gerekir. Bükülme ile yerçekiminin, basit ve en doğal teorisi, Einstein Cartan teorisidir. Bükülmenin varlığında, yerçekimsel alanı Dirac denklemi değiştirir ve dağınık şekilde genişletilmesi parçacıkların fermiyon olmasına neden olur. Fermiyonların mekansal uzantısının, sınırlanması için bir kara deliğin kütlesinin 1016 kg olması, mini kara deliklerin var olmadığını gösterir. Böylee bir kara delik üretmek için gerekli enerji 39 yörüngeden daha fazla LHC’ye ihtiyaç olması, LHC’nin mini kara delikler üretemeyeceğini gösterir.

Mikro kara deliğin kararlılığı

Hawking radyasyonu 
1974 yılında Stephen Hawking, kara deliklerin, Hawking radyasyonu temel parçacıklarının (fotonlar, elektronlar, kuarklar, gluonlar, vb.) yayılmasıyla buharlaştığı quantum etkilerini savundu. Onun hesaplamaları, küçük boyuttaki karadeliğin, hızlı buharlaşma oranının patlamayla sonuçlanması, mikro kara deliğin parçacıklarının aniden patlamasını göstermektedir. 
Herhangi bir kara delik, yeterli küçüklükteki Planck kütlesi yanında, evrenin yaşamı içinde, buharlaşıp gider. Bu süreçte, bu küçük karadelikler, maddeyi uzakta yayarlar. Bir çift sanal parçacığın bu resmi, olayın ufkunun yakınında, çiftin bir tanesi ele geçirilirken, diğerinin kara deliğin çevresinden kaçtığı görülür, sonuçta net olarak, (enerjinin korunumu için) karadelik kütle kaybeder.
Kara delik termodinamikleri formülüne göre, Planck kitlesi yaklaşana kadar, kara delikler daha fazla kütle kaybeder, daha sıcak hale gelir ve daha hızlı buharlaşır. Bu aşamada, bir kara delik, Hawking sıcaklığına sahip olacaktır, bunun anlamı, yayılan Hawking parçacığının karadeliğin kütlesi ile karşılaştırılabilir bir enerjiye sahip olacağıdır. Böylece termodinamik açıklama tezi yıkılır. Böyle bir mini karadelikte yaklaşık sadece 4 pi nats minimum değerinde bir entropi olurdu. O zaman bu noktada nesne artık klasik bir kara delik olarak tanımlanamaz ve Hawking’in hesaplamalarını altüst eder. 
Hawking radyasyonu sorgulanırken, Leonard Susskind son kitabında bir uzmanın bakış açısını özetler: Sık sık  kara deliğin buharlaşmasının olmadığını iddia eden görüşler çıkacağını söyler. Bu çalışmalar, önemsiz yığınlar olarak, hızla sonsuzluğa doğru kaybolur.

Nihai durum konjenktürü

Kara deliğin nihai kaderi, toplam buharlaşma ve Planck kütlesi büyüklüğünde bir kara delik kalıntısının üretimini içermektedir.Planck kütle kara delikler, izin verilen enerji seviyeleri arasındaki boşluklar yüzünden, artık ya klasik kara delikler gibi yerçekimsel enerjiyi absorbe edecek ya da Hawking parçacıklarını aynı nedenden dolayı sabit nesneleri etkileyecekler. Böyle bir durumda WIMP’s (büyük parçacıkların zayıf etkileşimi) olacaktır. Bu karanlık maddeyi açıklayabilir.

İlkel kara delikler

Evrenin ilk oluşumu

Kara delik üretimi kitleye veya buna karşılık gelen, Schwarzschild yarıçapı içinde enerji ve konsantrasyon gerektirir. Kısaca büyük patlamadan sonra, evren kendini Schwarzchild yarıçapı içine sığdırmak için yeterli alan verilen herhangi bir bölge için yoğun olduğu varsayılmaktadır. Hatta bu yüzden, o zaman evren nedeniyle, homojen kütle dağılımı ve hızlı büyüme için tekillik içine daraltmak mümkün değildi. Ancak bu, tamamen çeşitli boyutlarda kara deliklerin ortaya çıkmış olabileceği olasılığını dışlamaz. Bu şekilde oluşturulan bir kara delik, ilkel bir kara delik olarak adlandırılır ve mikro kara deliklerin yaratılması için en yaygın kabul gören hipotezdir. Bilgisayar simülasyonları, bir ilkel kara deliğin oluşma ihtimalinin, cismin kütlesi ile ters orantılı olduğunu göstermektedir. Böylece büyük olasılıkla sonuç, mikro kara delikler olacaktır.

Beklenen gözlemlenebilir etkileri

Etrafında kg’lık  başlangıç kütlesine sahip bir ilkel kara delik, bugün buharlaşması tamamlanarak, oluşturulabilirdi, zaten hafif bir ilkel kara delik, buharşarak oluşurdu. İyiser koşullarda, 2008 yılı Haziran ayında, Fermi Gamma-ışını uzay teleskobu ile uydu, gama ışını patlamaları gözlemlenerek, yakındaki kara deliklerin buharlaşması için deneysel kanıt tespir edilebilir. Bu bir mikroskobik bir kara delik ve bir yıldız ya da gezegen arasındaki fark edilebilecek bir çarpışma değildir. Küççük yarıçaplı ve yüksek yoğunluklu kara delik, herhangi bir nesne içeren normal atomların ve sadece birkaç etkileşimde olduğu kendi atomlarının doğrudan geçmesine izin verecek. Ancak, yeryüzünü geçen küçük kara deliğin (yeterli kütledeki), tespit edilebilir, akustik veya sismik sinyal üreteceği öne sürülmüştür.

Suni mikro kara delikler

Üretim fizibilitesi

Bilinen üç boyutlu yerçekimine göre, mikroskopik bir karadeliğin minimum enerjisi 1019 GeV’dir, ki bunun, Planck uzunluğu sırasına göre bir bölge içinde yoğunlaşması gerekir. Bu, bugünkü teknojinin limitlerinin ötesindedir. Bu istikamette parçacıkları tutmak için 1000 ışıkyılı çapında bir halka hızlandırıcı gerekir, şu anda ulaşılabilir manyetik alan gücüyle, Planck uzunluğunda bir mesafe içinde iki parçacığın çarpıştığı tahmin edilmektedir. Stephen Hawking de dönemin fizikçisi John Archibald Wheeler da dünya üzerindeki tüm suyun kullanarak hazırlanacak bir hidrojen bombasının, böyle bir kara deliği üretebileceğini ancak bu konuyla ilgili herhangi bir kanıt, referans veya iddiasını kanıtlayacak herhangi bir kaynak sağlamaz. 

Ancak, uzayın ekstra boyutlarını içeren bazı senaryolarda, Planck kütlesi, TeV aralığını için düşük gelebilir. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) proton-proton çarpışması için 14 TeV ve Pb-Pb çarpışmaları için 1150 TeV enerjisine sahiptir. Bu durumların, kara delik üretiminde ya da gelecekteki yüksek enerjili çarpıştırıcılarında önemli ve gözlemlenebilir etkisinin olabileceği 2001 yılında iddia edildi. Bu tür kuantum kara deliklerin, parçacıklarının çürüme yayan spreyleri, bu tesisler dededektörler tarafından görülebilir. 

Choptuik ve Pretorius tarafından, 17 Mart 2010 tarihinde yayımladıkları bildiride, yeterli enerjiyle çarpıştırılan, ki bu, diğerlerinden farklı, alışılmamış mevcut ekstra dört boyut (üç uzamsal, bir zamansal) LHC’nin izin verebildiği iki parçacığın çarpışmasını bilgisayar vasıtasıyla kanıtladı.

Güvenlik argümanları
Yüksek enerjili parçacıkların güvenli çarpışma deneyleri Hawking’in hesaplamaları ve daha genel kuantum mekaniği argümanları, mikro kara deliklerin neredeyse anında buharlaştığını tahmin ediyor. Ek güvenlik argümanlarının ötesinde, Hawking radyasyonu belgelerini temel alan görüşler ve varsayımsal senaryolara göre, istikrarlı kara

Yerçekiminin kuantum teorilerinde kara delikler
Bazı yerçekimi kuantum teorilerine göre, klasik kara deliklerin hesaplamalarında düzeltmeler yapmak mümkündür. Çekim alanı denklemlerinin çözümleri olan geleneksel kara delikler kuramının aksine, kuantum yerçekimi kara delikler, bir eğrilik veya tekillik oluştuğunda klasik kökenli etkilerinin yanında, kuantum yerçekimi etkilerini de içermektedir. kuantum yerçekimi etkilerini modellemek için kullanılan teoriye göre, kuantum yerçekimi kara deliklerin farklı türleri vardır, bunlar; döngü kuantum kara delikler, yer değiştirmeyen kara delikler ve asimptotik güvenli kara deliklerdir. bu yaklaşımlara göre, kara delikler, tekil özgürlüktedir.

Ayrıca bakınız 
 Black holes in fiction
 Planck particle
 Holeum

Notlar

Kaynakça

Bibliography

Dış bağlantılar 
 Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes
 A. Barrau & J. Grain, The Case for mini black holes  : a review of the searches for new physics with micro black holes possibly formed at colliders
 Mini Black Holes Might Reveal 5th Dimension  – Space.com
 Doomsday Machine Large Hadron Collider? – A scientific essay about energies, dimensions, black holes, and the associated public attention to CERN, by Norbert Frischauf (also available as Podcast)

Kara delikler
Hipotetik parçacıklar
Hipotetik astronomik cisimler