Nye muligheder for at detektere Hawking -stråling udsendt af ur -sorte huller

Mens mange fysikere har forudsagt eksistensen af ​​mørkt stof, en type stof, der ikke absorberer, reflektere eller udsende lys, hidtil har ingen været i stand til at observere det eksperimentelt eller bestemme dets grundlæggende natur. Lys primordiale sorte huller (PBH'er), sorte huller, der blev dannet i det tidlige univers, er blandt de mest lovende kandidater til mørkt stof. Imidlertid, eksistensen af ​​disse sorte huller er endnu ikke bekræftet.

Forskere ved University of Amsterdam og University of California- Santa Cruz har for nylig udført en undersøgelse, der har til formål at forbedre eksisterende begrænsninger for PBH'ers tilladte parameterrum som mørkt stof. I deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , de foreslår også en mulig metode, der kan bruges til direkte at detektere Hawking -stråling i mørke stof tætte områder og muligvis muliggøre opdagelse af PBH mørkt stof.

Hawking -stråling er den termiske stråling, som Stephen Hawking forudsagde spontant at blive udsendt af sorte huller. Denne stråling antages at stamme fra omdannelse af kvantevakuumudsving til parpartikler, en undslipper det sorte hul og den anden fanget inde i dens begivenhedshorisont (dvs. grænsen omkring sorte huller, hvorfra intet lys eller stråling kan slippe ud).

"PBH'er, der omfatter mere end et par procent af det mørke stof, skal have en masse mellem ca. 10 ¹⁶ gram og 10 ³⁵ gram, "Adam Coogan, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Over det meste af det område, forskellige observationer udelukker dem fra at udgøre 100% af det mørke stof. Imidlertid, der er et bemærkelsesværdigt hul i begrænsningerne:PBH'er med masser omkring en asteroides (~ 10 ¹⁷ gram til 10 ²² gram) kunne stadig udgøre alt det mørke stof. "

Identificering af metoder til at begrænse det tilladte parameterrum for PBH'er eller detektere Hawking -strålingen, der kommer fra dem, kan være et vigtigt skridt i retning af observation eller opdagelse af PBH -mørkt stof. Coogan, i samarbejde med sine kolleger Logan Morrison og Stefano Profumo, satte sig derfor for at undersøge potentialet ved MeV gamma-ray teleskoper som værktøjer til at detektere PBH Hawking-stråling.

"Hovedidéen bag vores arbejde var at tænke på en bestemt måde at lede efter asteroide-masse PBH'er, "Forklarede Coogan." Lys PBH'er forventes at udsende Hawking -stråling bestående af en blanding af fotoner og andre lyspartikler, såsom elektroner og pioner. Teleskoper kan derefter søge efter denne stråling ved at observere vores galakse eller andre galakser. Målet med vores papir var at forstå, hvor godt kommende teleskoper ville være i stand til at observere denne stråling og følgelig hvor meget af asteroide-massen PBH-parameterrum de kunne sondre. "

Mens man prøver at estimere masserne af PBH'er, som nye teleskoper kan hjælpe med at begrænse, Coogan og hans kolleger opdagede, at tidligere undersøgelser endnu ikke havde analyseret data indsamlet af COMPTEL -teleskopet, et gammastrålingsteleskop lanceret af NASA ombord på Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Disse data, imidlertid, kunne bidrage til at begrænse mængden af ​​PBH'er lidt under asteroide-massemellemrummet (dvs. under 10 ¹⁷ gram). Selvom der allerede findes begrænsninger i dette masseområde takket være observationer af Hawking-stråling indsamlet af Voyager 1 og det internationale Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) satellit, de nye begrænsninger, som forskerne indførte, viste sig at være de stærkeste til dato.

"Nøgleinput til beregning af begrænsninger og fremskrivninger er at beregne spektret af Hawking -stråling produceret af en enkelt PBH, "Coogan sagde." Vi forfinede denne beregning i sammenligning med eksisterende værktøjer i litteraturen ved at forbedre, hvordan stråling produceret af elektroner og pioner er redegjort for i spektret. Resten af ​​beregningerne er ganske typiske for søgninger efter mørkt stof. "

Forudsat at PBH'er af en bestemt masse udgør en given brøkdel af det totale mørke stof i rummet, beregningerne foretaget af Coogan og hans kolleger ville give forskere mulighed for at beregne deres bidrag til spektret af fotoner udsendt af et astrofysisk objekt, der menes at indeholde en betydelig mængde mørkt stof, såsom midten af ​​Mælkevejen. Hvis spektret anslået ved disse beregninger var langt lysere end det observerede spektrum, for eksempel, man kunne udelukke muligheden for, at PBH'er af den specifikke masse udgør en bestemt brøkdel af mørkt stof.

"At lave fremskrivninger til fremtidige teleskopers ydeevne følger lignende linjer, selvom der ikke er noget observeret spektrum at sammenligne med, "Coogan forklaret." I dette tilfælde, spektret af fotoner udsendt af PBH'er sammenlignes med en model for fotons forventede astrofysiske baggrund. "

Den seneste undersøgelse af Coogan, Morrison og Profumo satte de stærkeste begrænsninger på lavmasse PBH'er til dato, ved hjælp af data indsamlet som en del af et eksperiment, der blev afsluttet for 20 år siden. Ud over, forskerne viste, at kommende teleskoper, der er i stand til at observere MeV-energi gammastråler, kan hjælpe med at undersøge asteroide-masse PBH'er, hvilket er en meget vanskelig del af PBH -parameterrummet at sondere.

"Astronomisamfundet har overvejet flere forslag til sådanne teleskoper i de seneste år, og jeg synes, at vores papir giver en anden solid motivation til at konstruere dem, "Tilføjede Coogan." Bortset fra PBH'er, vi har undersøgt, hvordan kommende MeV gammastrålingsteleskoper kunne undersøge forskellige modeller af partikelmørkt stof. Vi har for nylig afsluttet endnu et papir, hvor vi har beregnet gammastrålespektre for nogle få sådanne modeller og arbejder sammen med andre samarbejdspartnere for at forfine disse beregninger. "

Coogan, Morrison og Profumo har for nylig også samarbejdet med Alexander Moiseev, forsker ved NASA, der udvikler et teleskop kaldet Galactic Explorer with a Coded Aperture Mask Compton Telescope (GECCO). Sammen med Moiseev, de har forsøgt at kortlægge måder, hvorpå GECCO kan hjælpe søgen efter mørkt stof.

© 2021 Science X Network