¿Pueden los astrónomos detectar directamente los agujeros negros?

Un colega de astronomía tenía un alumno hace unos años que hizo un cálculo sobre la posibilidad de agujeros negros primordiales, creados en el Big Bang. Si el tamaño de estos fuera el correcto, podrían estar evaporándose en la nada debido a la radiación de Hawking en este momento (entre comillas porque esto necesariamente incluiría agujeros negros distantes que se evaporaron hace muchos años, cuya luz nos está llegando ahora). El último estallido de radiación de Hawking para estos se vería básicamente como un débil estallido de rayos gamma, en cuyo caso debería ser detectable directamente.

No estoy seguro del estado actual de esto. Su resultado preliminar fue, si mal no recuerdo, que usted podría probarlo midiendo la distribución de probabilidad de los estallidos de rayos gamma del tamaño y duración apropiados, pero nosotros no tenía ningún telescopio capaz de recogerlos en ese momento. No estoy seguro si eso ha cambiado o no.

De todos modos, eso le daría una forma directa de detectar agujeros negros de cierto tamaño, aunque no estarían presentes después de la detección, por lo que podría no encajar con el espíritu de la pregunta...

Hasta donde se sabe, con la excepción de la radiación de Hawking que mencionó Chad, los agujeros negros no emiten nada que podamos usar para detectarlos directamente. Y la radiación de Hawking de la mayoría de los agujeros negros es tan débil que sería imposible de detectar desde una distancia significativa, excepto por el estallido final de radiación cuando finalmente se evapora.

Entonces, la respuesta directa sería: generalmente no, los agujeros negros no se pueden detectar directamente.

Sin embargo, cualquier agujero negro que esté lo suficientemente cerca de otra estrella tendrá un disco de acreción, y eso sin duda se puede detectar porque emite una gran cantidad de rayos X y rayos gamma.

¿ Conoce la fuente de rayos X Cygnus X-1 ? Esto podría darle un ejemplo de "ver" un agujero negro. Este es un ejemplo de una fuente de rayos X de disco de acreción, discutida en otras respuestas aquí.

Hay algún trabajo sobre el tema del profesor Narayan. Como dijo David, un agujero negro suele tener un disco de acreción que irradia mucha energía. Esa energía proviene de la energía potencial gravitacional. A medida que el material del disco cae hacia el objeto central, transforma su energía potencial en radiación mientras el material está en el disco e interactúa con el resto del disco. En la parte final de la caída del material al objeto central, donde el material que cae se separa del borde interior del disco, la energía potencial gravitacional se transforma en radiación solo si hay un objeto central con una superficie. Si el objeto central es un agujero negro, debería faltar mucha energía en el centro del disco de acreción.

Nuevamente, esto no es una detección directa, en el sentido de que no ves el agujero negro en sí. Lo único que puede emitir un agujero negro es radiación de Hawking, pero esa radiación es relevante solo para agujeros negros no astrofísicos (estrellas colapsadas o centros de galaxias), como los agujeros negros primordiales que mencionó Chad (que son pequeños) o los mini agujeros negros. agujeros que podrían crearse en un acelerador o por la radiación cósmica.

Si estuviera lo suficientemente cerca, o si el agujero negro fuera lo suficientemente grande, los rayos de luz que pasaran cerca de él distorsionarían la imagen de los objetos más distantes que el BH, también parte de esta luz desaparecería en el horizonte de eventos del BH. Así que sí, si tuvieras un telescopio lo suficientemente grande, podrías verlo. Pero el tamaño de los BH en relación con su distancia probable significa que este telescopio no existirá durante muchos años. De manera similar, ¿no haría el mismo truco mirar un BH contra la radiación cósmica de fondo? Vería la radiación de Hawking a una temperatura mucho más baja que el CMB (a menos que el BH sea muy pequeño). Pero, nuevamente dado el tamaño/distancia real de los BH, la resolución necesaria está lejos de ser alcanzable.

Si un agujero negro está iluminado a lo largo de nuestra línea de sitio por una fuente detrás de nosotros, podría ser posible ver su sombra contra un fondo brillante.

Creo que hay dos niveles en los que se pregunta esto. Las animaciones en el siguiente enlace ilustran cómo aparecen los agujeros negros frente a las estrellas o la galaxia. También retrata la superficie negra que lo marca como un agujero negro. ¿Alguna vez veremos un negro en esta forma? Tal vez, o podríamos obtener una mejor firma de esto. Una resolución mucho mayor podría demostrar dependencias angulares con discos de acreción alrededor de agujeros negros. Del mismo modo, es posible que el agujero negro supermasivo de esta galaxia pueda resolverse de manera similar, al menos para medir la lente óptica de estrellas distantes.

http://jila.colorado.edu/~ajsh/insidebh/

Por supuesto, existe la posibilidad de que los agujeros negros exhiban algunas propiedades cuánticas en el rango de energía de 1 a 10 TeV. Esta es la gran perspectiva de extradimensión, donde tal vez las variedades de Calabi-Yau se "desplieguen" a escalas más grandes a una energía más alta. Al hacerlo, la física en el rango de TeV de energía puede tener algunas amplitudes pequeñas correspondientes a la física de gravitones y agujeros negros. A baja energía, la física es QFT, mientras que a mayor energía asume algunos aspectos gravitacionales. Podríamos pensar en esto como hacer QFT en la superficie del AdS, pero donde a una energía suficientemente alta obtenemos una pequeña muestra de gravedad en el interior del AdS.

La medida en que exploramos el interior del AdS podría modelarse con un campo simple. Podríamos pensar en esto como la manifestación de un campo auxiliar que convierte un tipo de física de baja energía en otra de alta energía. Los modos transversales de una cuerda en el límite definen el CFT allí, y estos asumen un cierto valor en este límite. En el interior, los modos longitudinales no se desvanecen, pero se desvanecen en el límite. El principio de incertidumbre de coordenadas no conmutativo$\Delta X^+\Delta X^-~\simeq~{\ell}_s$ $=~4\pi\sqrt{\alpha’}$entonces está fuera de cuadratura cerca del límite del AdS. Esta fuerza auxiliar es entonces análoga al operador de compresión en la óptica cuántica.

Como modelo de juguete, considere un$n+1$espacio dimensional “espacio-tiempo más R”. Esta dimensión adicional es un espacio con una conexión de calibre o potencial$A~=~\phi$que define una fuerza$F~=~-d\phi/dx_5$, para$x_5$un parámetro en esta quinta dimensión. Un caso simple y obvio para un campo en una cuerda unidimensional de longitud$L$seria donde$\phi~=~\pi x_5/L$como un modelo similar a una gravedad constante en la Tierra. Esta "fuerza" luego ajusta el principio de incertidumbre no conmutativo, que se encuentra en un estado completamente comprimido en el límite de AdS. Luego, con mucha energía, ajustamos esto ligeramente empujando el espacio-tiempo conformemente plano en el límite hacia una dimensión adicional en el interior del AdS. Entonces podríamos obtener algunas firmas o pequeñas amplitudes de gravedad cuántica, o física cuántica de agujeros negros, en experimentos a escala del LHC.

La perspectiva no es del todo absurda, ya que en el nivel de recuperación de simetría EW QFT puede exhibir un flujo de grupo de renormalización a alta energía. Este flujo es entonces logarítmico en energía, por lo que la diferencia de escala de$10 TeV$a$10^{16}TeV$no es tan dramático. Entonces podría darse el caso de que pequeñas amplitudes para la física cuántica de agujeros negros pudieran aparecer en el LHC.

Y, en 2018, es posible que finalmente podamos verlos: https://eventhorizontelescope.org/