マイクロブラックホール

マイクロブラックホールはミニブラックホールや量子力学的ブラックホールとも呼ばれ、量子力学的効果が重要な役割を果たす仮想上の小さな（<1 M☉）ブラックホールです。^[1]恒星の質量よりも小さいブラックホールが存在する可能性があるという概念は、1971年にスティーブン・ホーキング_によって提唱されました。^[2]

このようなブラックホールは、宇宙初期（ビッグバン）の高密度環境で生成されたか、あるいはその後の相転移（原始ブラックホールと呼ばれる）によって生成された可能性があります。天体物理学者は、ホーキング放射によって放出されると予想される粒子を通じて、ブラックホールを観測できるかもしれません。^[3]

追加の空間次元を含むいくつかの仮説では、 LHC（大型ハドロン衝突型加速器）などの粒子加速器で利用可能なTeV範囲の低エネルギーでマイクロブラックホールが形成される可能性があると予測されています。そのため、世界の終わりのシナリオに対する一般的な懸念が提起されました（LHCにおける粒子衝突の安全性を参照）。ただし、このような量子ブラックホールは、完全にまたは非常に弱く相互作用する残留物のみを残して、瞬時に蒸発します。^[要出典]理論的議論とは別に、宇宙線は数百TeVの範囲のエネルギーに達しますが、地球に衝突して損傷を引き起こすことはありません。

初期の推測では、スティーブン・ホーキングは約1000万キログラム以下の質量ではブラックホールは形成されないと推測した。10 ⁻⁸  kg（おおよそプランク質量） ^[2]。ブラックホールを形成するには、質量またはエネルギーを十分に集中させて、集中している領域からの脱出速度が光速を超える必要があります。

現在の物理学の拡張の中には、空間の余剰次元の存在を仮定しているものがある。高次元時空では、3次元よりも距離が短くなるにつれて重力の強さがより急速に増加する。余剰次元の特定の特殊な構成では、この効果によりプランクスケールがTeV領域まで低下する可能性がある。このような拡張の例には、大きな余剰次元、ランドール・サンドラム模型の特殊なケース、 GKP解のような弦理論の構成などがある。このようなシナリオでは、ブラックホール生成は大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における重要かつ観測可能な効果となる可能性がある。 ^{[1] [4] [5] [6] [7]また、}宇宙線 によって引き起こされる一般的な自然現象でもある。

これらはすべて、一般相対性理論がこれらの小さな距離でも有効であることを前提としている。そうでない場合、現在不明である他の効果がブラックホールの最小サイズを制限する可能性がある。素粒子は量子力学的に固有の角運動量（スピン）を備えている。曲がった時空における物質の全（軌道プラススピン）角運動量の正しい保存則は、時空がねじれを備えていることを必要とする。ねじれを伴う重力の最も単純で最も自然な理論は、アインシュタイン-カルタン理論である。^{[8] [9]}ねじれは、重力場の存在下でディラック方程式を修正し、フェルミオン粒子を空間的に拡張する。この場合、フェルミオンの空間拡張により、ブラックホールの最小質量は次のオーダーに制限される。10 ¹⁶  kg であり、マイクロブラックホールは存在しない可能性があることを示している。このようなブラックホールを生成するために必要なエネルギーは、大型ハドロン衝突型加速器で利用可能なエネルギーよりも 39 桁大きいため、LHC ではミニブラックホールを生成できないことを示している。しかし、ブラックホールが生成されると、一般相対性理論が誤りであることが証明され、これらの小さな距離では存在しないことになる。一般相対性理論のルールは破綻し、ブラックホールの事象の地平線の周りで物質、空間、時間がどのように崩壊するかという理論と一致する。これは、フェルミオン限界の空間拡張も間違っていることを証明することになる。フェルミオン限界は、ブラックホールを維持するために必要な最小質量を想定しており、その反対に、ブラックホールを開始するために必要な最小質量を想定しているが、これは理論的には LHC でいくつかの条件下で達成可能である。^{[10] [11]}

1975年、スティーブン・ホーキングは量子効果により、ブラックホールは、現在ホーキング放射と呼ばれる素粒子（光子、電子、クォーク、グルーオンなど）が放出されるプロセスによって「蒸発」すると主張した。^[3]彼の計算によると、ブラックホールのサイズが小さいほど蒸発速度が速くなり、マイクロブラックホールが突然爆発して粒子が突然噴出する。

十分に質量の低い原始ブラックホールは、宇宙の寿命の間にプランク質量近くまで蒸発します。この過程で、これらの小さなブラックホールは物質を放射します。これを大まかに描くと、事象の地平線近くの真空から仮想粒子のペアが出現し、ペアの一方が捕らえられ、もう一方がブラックホールの近くから逃げるというものです。最終的な結果として、ブラックホールは質量を失います (エネルギー保存則による)。ブラックホール熱力学の公式によると、ブラックホールが質量を失うほど、ブラックホールはより高温になり、蒸発が速くなり、プランク質量に近づきます。この段階で、ブラックホールのホーキング温度は⁠T _P/8π⁠（5.6 × 10 ³⁰  K ) となり、放出されたホーキング粒子のエネルギーはブラックホールの質量に匹敵することになります。したがって、熱力学的記述は破綻します。このようなマイクロブラックホールのエントロピーも 4 π  natsしかなく、これはほぼ最小値です。この時点で、この物体はもはや古典的なブラックホールとして記述することはできず、ホーキングの計算も破綻します。

ホーキング放射は時々疑問視されるが、^[12] レナード・サスキンドは著書『ブラックホール戦争』で専門家の視点を次のように要約している。「時折、ブラックホールは蒸発しないと主張する物理学論文が発表される。そのような論文はすぐに、異端の考えの無限のゴミ山の中に消えてしまう。」^[13]

ブラックホールの最終的な運命については、完全な蒸発とプランク質量サイズのブラックホール残骸の生成が推測されている。そのようなプランク質量ブラックホールは、許容されるエネルギー準位間の量子化されたギャップによってホーキング粒子を放出したり、古典的なブラックホールのように重力でエネルギーを吸収したりできない場合、実質的には安定した物体である可能性がある。その場合、それらは弱い相互作用をする質量の大きい粒子であり、これは暗黒物質を説明できる可能性がある。^[14]

ブラックホールの生成には、対応するシュワルツシルト半径内に質量またはエネルギーが集中する必要がある。ビッグバン直後の宇宙は、任意の空間領域がそのシュワルツシルト半径内に収まるほど高密度であったという仮説は、ゼルドビッチとノビコフによって最初に立てられ、ホーキングによって独立に立てられた。それでも、当時の宇宙は質量分布が均一で急速に成長していたため、特異点に崩壊することはできなかった。しかし、これは、様々なサイズのブラックホールが局所的に出現した可能性を完全に排除するものではない。このようにして形成されたブラックホールは原始ブラックホールと呼ばれ、マイクロブラックホールの生成に関する最も広く受け入れられている仮説である。コンピューターシミュレーションでは、原始ブラックホールの形成確率はその質量に反比例することが示唆されている。したがって、最も可能性の高い結果はマイクロブラックホールであろう。^[要出典]

初期質量が約10 ¹²  kg のブラックホールは今日蒸発を完了するでしょう。より質量の小さい原始ブラックホールであれば、すでに蒸発しているでしょう。[ ^1]最適な条件下では、 2008 年 6 月に打ち上げられたフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡衛星は、ガンマ線バーストを観測することで、近くのブラックホールの蒸発の実験的証拠を検出する可能性があります。^{[15] [16] [17]}微小なブラックホールと星や惑星などの物体との衝突が目に見えることはまずありません。ブラックホールの半径が小さく密度が高いため、通常の原子で構成された物体であれば、ごく少数の原子としか相互作用せずに、真っ直ぐに通り抜けることができます。ただし、十分な質量を持つ小さなブラックホールが地球を通過すると、検出可能な音響信号または地震信号が発生すると示唆されています。^{[18] [19] [20] [a]} 月では、数十億年後でもまだ見える独特のクレーターが残る可能性があります。^[21]

よく知られている3次元重力では、ミクロなブラックホールの最小エネルギーは10 ¹⁶  TeV （1.6 GJまたは444 kWhに相当）の磁場をプランク長程度の領域に凝縮する必要がある。これは現在の技術の限界をはるかに超えている。現在達成可能な磁場強度で2つの粒子をプランク長以内の距離に衝突させるには、粒子を軌道に乗せるために直径約1,000光年のリング加速器が必要になると推定されている^[要出典]。

しかし、空間の余分な次元を含むいくつかのシナリオでは、プランク質量はTeVの範囲まで低くなる可能性があります。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の設計エネルギーは陽子-陽子衝突では14  TeV 、鉛-鉛衝突では1,150 TeVである。2001年には、このような状況下では、ブラックホール生成がLHC ^{[4] [5] [6] [7] [22]}または将来の高エネルギー衝突型加速器で重要かつ観測可能な効果となる可能性があると主張された。このような量子ブラックホールは、これらの施設の検出器で観測可能な粒子の噴射を放出しながら崩壊するはずである。^{[4] [5] 2010年に}Physical Review Lettersに掲載されたChoptuikとPretoriusの論文では、マイクロブラックホールは十分なエネルギーを持つ2つの衝突粒子から形成されるはずであり、通常の4次元（空間次元3次元、時間次元1次元）以外の次元が存在する場合、LHCのエネルギーでは許容される可能性があるというコンピューター生成の証明が提示された。^{[23] [24]}

ホーキングの計算^[2]とより一般的な量子力学的な議論によれば、マイクロブラックホールはほぼ瞬時に蒸発すると予測される。ホーキング放射に基づくもの以外の安全性に関する議論が論文^{[25] [26]で示されており、地球を破壊するほどの質量を持つ安定したマイクロブラックホールが存在するという仮説上のシナリオでは、そのようなブラックホールは}宇宙線によって生成され、惑星、恒星、または中性子星や白色矮星などの恒星残骸などの天体をすでに破壊している可能性が高いことが示された。

量子重力理論の中には、通常の古典的なブラックホールに対する量子補正を計算することができるものがある。一般相対性理論の重力場方程式の解である従来のブラックホールとは対照的に、量子重力ブラックホールは、古典的には曲率特異点が発生する原点付近で量子重力効果を取り入れている。量子重力効果をモデル化するために採用されている理論によれば、ループ量子ブラックホール、非可換ブラックホール、漸近安全ブラックホールなど、さまざまな種類の量子重力ブラックホールがある。これらのアプローチでは、ブラックホールは特異点フリーである。^[要出典]

仮想マイクロブラックホールは、 1995年にスティーブン・ホーキングによって提唱され^{[27] 、1999年にはファビオ・スカルディグリによって}量子重力の候補として大統一理論の一部として提唱されました^[28]。

• ブラックホール電子
• ブラックホール宇宙船
• フィクションにおけるブラックホール
• ER = イーピーアール
• クーゲルブリッツ（天体物理学）
• ストレンジレット

• 仮想的な安定TeVスケールブラックホールの天体物理学的意味
• ミニブラックホールが5次元を明らかにするかもしれない - ケル・タン。Space.com 2006年6月26日午前10時42分（東部標準時）
• 終末の機械、大型ハドロン衝突型加速器？ – エネルギー、次元、ブラックホール、そしてそれに伴う CERN への世間の注目についての科学論文、ノーバート・フリッシャウフ著 (ポッドキャストでも利用可能)