Detektering af Hawking-stråling fra sorte huller ved hjælp af nutidens teleskoper

I 1974 hævdede Stephen Hawking berømt, at sorte huller både skulle udsende partikler og absorbere dem. Denne såkaldte "Hawking-stråling" er endnu ikke blevet observeret, men nu har en forskergruppe fra Europa fundet ud af, at Hawking-stråling burde kunne observeres af eksisterende teleskoper, der er i stand til at detektere meget højenergi-partikler af lys.

Når to massive sorte huller kolliderer og smelter sammen, eller en neutronstjerne og sort hul gør det, udsender de gravitationsbølger, bølger i rumtidens struktur, der rejser udad. Nogle af disse bølger skyller ind over Jorden millioner eller milliarder af år senere. Disse bølger blev forudsagt af Einstein i 1916 og første gang observeret direkte af LIGO-detektorerne i 2016. Dusinvis af gravitationsbølger fra sorte huls fusioner er blevet detekteret siden.

Disse fusioner udsender også en række "sorte hulstykker", mindre sorte huller med masser af størrelsesordenen af ​​en asteroide, skabt i det resulterende ekstremt stærke gravitationsfelt omkring fusionen på grund af såkaldte "ikke-lineære", højhastighedseffekter generelt relativitet. Disse ikke-lineariteter opstår på grund af de iboende komplekse løsninger på Einsteins ligninger, da fordrejet rumtid og masser feedback på hinanden og begge reagerer på og skaber ny rumtid og masser.

Denne kompleksitet genererer også gammastråleudbrud af ekstremt energiske fotoner. Disse udbrud har lignende egenskaber, med en tidsforsinkelse fra sammenlægningen af ​​rækkefølgen af ​​deres fordampningstid. En biddermasse på 20 kiloton har en fordampningslevetid på 16 år, men dette tal kan ændre sig drastisk, da fordampningstiden er proportional med biddermassen.

Tyngre bidder vil i starten give et stabilt gammastrålesignal, karakteriseret ved reducerede partikelenergier, proportionalt med Hawking-temperaturen. Hawking-temperaturen er omvendt proportional med et sort huls masse.

Forskerholdet viste gennem numeriske beregninger ved hjælp af en offentlig åben kildekode kaldet BlackHawk, der beregner Hawking-fordampningsspektrene for enhver fordeling af sorte huller, at Hawking-strålingen fra sorte hulstykkerne skaber gammastråleudbrud, der har et karakteristisk fingeraftryk. Værket er udgivet på arXiv preprint server.

Detektering af sådanne hændelser, som har flere signaler - gravitationsbølger, elektromagnetisk stråling, neutrino-emissioner - kaldes multimessenger-astronomi i det astrofysiske samfund og er en del af observationsprogrammerne ved LIGO gravitationsbølgedetektorer i USA, VIRGO i Italien og i Japan, KAGRA gravitationsbølgeteleskopet.

Synlige signaler fra fordampning af sorte hul inkluderer altid fotoner over TeV-området (en trillion elektronvolt, ca. 0,2 mikrojoule; for eksempel kolliderer CERN Large Hadron Collider i Europa, den største partikelaccelerator på planeten, protoner frontalt sammen med en total energi på 13,6 TeV). Dette giver en "gylden mulighed", skriver gruppen, for såkaldte højenergi-atmosfæriske Cherenkov-teleskoper til at opdage denne Hawking-stråling.

Disse Cherenkov-teleskoper er jordbaserede antenneskåle, der kan detektere meget energiske fotoner (gammastråler) i energiområdet fra 50 GeV (milliard elektronvolt) til 50 TeV. Disse antenner opnår dette ved at detektere Cherenkov-strålingsglimt, der produceres, når gammastrålerne kaskade gennem jordens atmosfære og bevæger sig hurtigere end lysets almindelige bølgehastighed i luften.

Husk, at lys bevæger sig lidt langsommere i luft, end det gør i et vakuum, fordi luft har et brydningsindeks lidt større end et. Hawking-gammastrålingen, der kaskade ned gennem atmosfæren, overstiger denne langsommere værdi og skaber Cerenkov-stråling (også kaldet bremsestråling - Bremsstrahlung på tysk). Det blå lys, der ses i vandbassiner, der omgiver reaktionsstave i en atomreaktor, er et eksempel på Cerenkov-stråling.

Der er nu fire teleskoper, der kan detektere disse kaskader af Cerenkov-stråling - High Energy Stereoscopic System (HESS) i Namibia, Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) på en af ​​De Kanariske Øer, det første G-APD Cherenkov-teleskop ( FACT), også på La Palma Island i det Kanariske øhav, og Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) i Arizona. Selvom hver bruger forskellig teknologi, kan de alle detektere Cerenkov-fotoner i GeV-TeV-energiområdet.

At opdage en sådan Hawking-stråling ville også kaste lys (ahem...) på produktionen af ​​sorte hulstykker, såvel som partikelproduktion ved energier, der er højere, end der kan opnås på Jorden, og kan bære tegn på ny fysik såsom supersymmetri, ekstra dimensioner eller eksistensen af ​​kompositpartikler baseret på den stærke kraft.

"Det var en overraskelse at opdage, at sorte hulstykker kan stråle ud over detektionsevnerne af nuværende højenergi-Cherenkov-teleskoper på Jorden," sagde Giacomo Cacciapaglia, hovedforfatter fra Université Lyon Claude Bernard 1 i Lyon, Frankrig. Han bemærkede, at direkte påvisning af Hawking-stråling fra sorte huller ville være det første bevis på sorte hullers kvanteadfærd, sagde han, "hvis det foreslåede signal observeres, bliver vi nødt til at stille spørgsmålstegn ved den nuværende viden om sorte hullers natur" og stykker produktion.

Cacciapaglia sagde, at de planlægger at kontakte kolleger fra eksperimentelle grupper og derefter bruge de indsamlede data til at søge efter den Hawking-stråling, de foreslår.