ХЕСС. II пятителескопический детектор гамма-излучения в Намибии. Фото: Википедия под CC BY-SA 3.0.
В 1974 году Стивен Хокинг заявил, что черные дыры должны не только поглощать, но и испускать частицы. Это так называемое «излучение Хокинга» еще не наблюдалось, но теперь исследовательская группа из Европы обнаружила, что излучение Хокинга должно наблюдаться с помощью существующих телескопов, которые способны обнаруживать частицы света очень высоких энергий.
Когда две массивные черные дыры сталкиваются и сливаются, или нейтронная звезда и черная дыра делают это, они излучают гравитационные волны — волнистость ткани пространства-времени, которые движутся наружу. Некоторые из этих волн омывают Землю миллионы или миллиарды лет спустя. Эти волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году и впервые непосредственно наблюдались детекторами LIGO в 2016 году. С тех пор были обнаружены десятки гравитационных волн от слияния черных дыр.
Эти слияния также испускают ряд «кусков черных дыр», меньших черных дыр с массой порядка астероида, созданных в результате чрезвычайно сильного гравитационного поля вокруг слияния из-за так называемых «нелинейных», высокоскоростных эффектов в целом. относительность. Эти нелинейности возникают из-за сложных по своей сути решений уравнений Эйнштейна, поскольку искривленное пространство-время и массы реагируют друг на друга и оба реагируют и создают новые пространство-время и массы.
Эта сложность также порождает гамма-всплески чрезвычайно энергичных фотонов. Эти всплески имеют схожие характеристики, с задержкой по времени от слияния порядка времени их испарения. Кусочек массой 20 килотонн имеет время испарения 16 лет, но это число может резко измениться, поскольку время испарения пропорционально кубу массы куска.
Более тяжелые кусочки первоначально будут обеспечивать устойчивый сигнал гамма-всплеска, характеризующийся пониженной энергией частиц, пропорциональной температуре Хокинга. Температура Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры.
Исследовательская группа посредством численных расчетов с использованием общедоступного кода с открытым исходным кодом под названием BlackHawk, который рассчитывает спектры испарения Хокинга для любого распределения черных дыр, показала, что излучение Хокинга от кусочков черной дыры создает гамма-всплески, которые имеют характерный отпечаток. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.
Обнаружение таких событий, которые имеют множественные сигналы — гравитационные волны, электромагнитное излучение, выбросы нейтрино, — в астрофизическом сообществе называется мультимессенджерной астрономией и является частью программ наблюдений на детекторах гравитационных волн LIGO в США, VIRGO в Италии и в США. Япония, гравитационно-волновой телескоп KAGRA.
Видимые сигналы испарения черной дыры всегда включают фотоны с энергией выше ТэВ (триллион электронвольт, около 0,2 микроджоуля; например, Большой адронный коллайдер ЦЕРН в Европе, крупнейший ускоритель частиц на планете, сталкивает протоны лоб в лоб с суммарным энергия 13,6 ТэВ). Это дает «прекрасную возможность», пишет группа, для так называемых высокоэнергетических атмосферных черенковских телескопов обнаружить это излучение Хокинга.
Эти черенковские телескопы представляют собой наземные антенные тарелки, которые могут обнаруживать очень энергичные фотоны (гамма-лучи) в диапазоне энергий от 50 ГэВ (миллиардов электронвольт) до 50 ТэВ. Эти антенны достигают этого, обнаруживая вспышки черенковского излучения, которые возникают, когда гамма-лучи проходят через атмосферу Земли, перемещаясь быстрее, чем обычная скорость волны света в воздухе.
Напомним, что свет в воздухе распространяется немного медленнее, чем в вакууме, поскольку показатель преломления воздуха немного больше единицы. Гамма-излучение Хокинга, каскадно проходящее через атмосферу, превышает это более медленное значение, создавая излучение Черенкова (также называемое тормозным излучением — тормозное излучение по-немецки). Синий свет, видимый в лужах воды, окружающих реакционные стержни ядерного реактора, является примером черенковского излучения.
В настоящее время существует четыре телескопа, которые могут обнаруживать эти каскады черенковского излучения: Стереоскопическая система высоких энергий (HESS) в Намибии, Черенковские телескопы главного атмосферного гамма-изображения (MAGIC) на одном из Канарских островов, Первый черенковский телескоп G-APD ( ФАКТ), а также на острове Ла-Пальма на Канарском архипелаге и в системе очень энергичных радиационных телескопов (VERITAS) в Аризоне. Хотя каждый из них использует разные технологии, все они могут обнаруживать черенковские фотоны в диапазоне энергий ГэВ-ТэВ.
Обнаружение такого излучения Хокинга также могло бы пролить свет (хм…) на образование кусочков черных дыр, а также на образование частиц с энергиями, превышающими те, которые могут быть достигнуты на Земле, и может нести в себе признаки новой физики, такие как суперсимметрия, дополнительные измерения или существование сложных частиц основано на сильном взаимодействии.
«Было неожиданно обнаружить, что частицы черной дыры могут излучать сверх возможностей обнаружения современных черенковских телескопов высокой энергии на Земле», — сказал Джакомо Каччапалья, ведущий автор из Лионского университета Клода Бернара 1 в Лионе, Франция. Отметив, что прямое обнаружение излучения Хокинга от кусочков черных дыр станет первым свидетельством квантового поведения черных дыр, он сказал, что «если предполагаемый сигнал будет наблюдаться, нам придется поставить под сомнение нынешние знания о природе черных дыр» и мелкое производство.
Каччапалья сообщил, что они планируют связаться с коллегами из экспериментальных групп, чтобы затем использовать собранные данные для поиска предлагаемого ими излучения Хокинга.
