Обнаружение «излучения Хокинга» черных дыр с помощью современных телескопов

В 1974 году Стивен Хокинг заявил, что черные дыры должны не только поглощать, но и испускать частицы. Это так называемое «излучение Хокинга» до сих пор не наблюдалось, но теперь исследовательская группа из Европы обнаружила, что излучение Хокинга должно быть наблюдаемо с помощью существующих телескопов, которые могут обнаруживать частицы света очень высоких энергий.

Когда две массивные черные дыры сталкиваются и сливаются, или нейтронная звезда и черная дыра, они испускают гравитационные волны — колебания в ткани пространства-времени, которые распространяются наружу. Некоторые из этих волн доходят до Земли спустя миллионы или миллиарды лет. Эти волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году, а первые непосредственно наблюдались детекторами LIGO в 2016 году. Десятки гравитационных волн от сливающихся черных дыр. были обнаружены с тех пор.

Эти слияния также испускают множество «сгустков 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 общей теории относительности. Эти нелинейности возникают из-за изначально сложных решений уравнений Эйнштейна, поскольку искривленное пространство-время и массы реагируют друг на друга, а также реагируют и создают новые пространство-время и массы.

Эта сложность также приводит к гамма-всплескам чрезвычайно энергичных фотонов. Эти всплески имеют схожие характеристики, причем время задержки от слияния составляет порядка времени их испарения. У куска массой 20 килотонн время испарения составляет 16 лет, но это число может сильно измениться, поскольку время испарения пропорционально кубу массы куска.

Более тяжелые частицы сначала будут давать стабильный сигнал гамма-всплеска, характеризующийся уменьшением энергии частиц пропорционально температуре Хокинга. Температура Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры.

Исследовательская группа показала с помощью численных расчетов с использованием открытого кода программы Blackhawk, которая рассчитывает спектры испарения Хокинга для любого распределения черных дыр, что излучение Хокинга от кусков черных дыр создает гамма-всплески, имеющие отличительный характер. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.

Обнаружение таких событий с несколькими сигналами — гравитационными волнами, электромагнитным излучением, излучением нейтрино — в астрофизическом сообществе называется астрономией мультимессенджеров и является частью программ наблюдений на детекторах гравитационных волн LIGO в США, VIRGO в Италии и гравитационно-волновом телескопе KAGRA в Японии.

Видимые сигналы испарения черных дыр всегда включают фотоны с энергией выше ТэВ (триллион электронвольт, около 0,2 микроджоуля; например, Большой адронный коллайдер ЦЕРН в Европе, крупнейшая на планете педаль газа частиц, сталкивает протоны лоб в лоб с общей энергией 13,6 ТэВ). Это дает «прекрасную возможность», пишет группа, для так называемых высокоэнергетических атмосферных черенковских телескопов обнаружить это хокинговское излучение.

Черенковские телескопы — это наземные антенны, способные обнаруживать очень энергичные фотоны (гамма-лучи) в диапазоне энергий от 50 ГэВ (миллиарды электронвольт) до 50 ТэВ. Для этого антенны регистрируют вспышки черенковского излучения, которые возникают, когда гамма-лучи проходят через атмосферу Земли, двигаясь быстрее, чем обычно. Скорость волны света в воздухе.

Напомним, что свет в воздухе распространяется немного медленнее, чем в вакууме, поскольку коэффициент преломления воздуха немного больше единицы. Гамма-лучи Хокинга, проходящие каскадом через атмосферу, превышают это более медленное значение, создавая черенковское излучение (также называемое тормозным излучением — тормозное излучение по-немецки). Примером черенковского излучения является голубой свет, наблюдаемый в лужах воды вокруг реакционных стержней ядерных реакторов.

В настоящее время существует четыре телескопа, способных обнаружить эти каскады черенковского излучения: Стереоскопическая система высоких энергий (HESS) в Намибии, Главный атмосферный гамма-телескоп с визуализацией черенковского излучения (MAGIC) на одном из Канарских островов, Первый черенковский телескоп G-APD (FACT), а также на острове Ла-Пальма Канарского архипелага и Система телескопов очень энергичного излучения (VERITAS) в Аризоне. Хотя в каждом из них используются разные технологии, все они могут обнаруживать черенковские фотоны в диапазоне энергий ГэВ-ТэВ.

Обнаружение такого излучения Хокинга могло бы пролить свет (кхм…) на образование осколков черных дыр, а также на образование частиц с энергиями, превышающими земные, и могло бы нести признаки новой физики, такой как суперсимметрия, дополнительные измерения или существование сложных частиц, основанных на сильных взаимодействиях.

«Было неожиданно обнаружить, что куски черных дыр могут излучать за пределами возможностей обнаружения нынешних высокоэнергетических черенковских телескопов на Земле», — говорит Джакомо Каччапалья, ведущий автор работы из Лионского университета имени Клода Бернара 1 в Лионе (Франция). Отметив, что прямое обнаружение излучения Хокинга от кусков черных дыр стало бы первым доказательством квантового поведения черных дыр, он сказал, что «если предполагаемый сигнал будет наблюдаться, нам придется поставить под сомнение текущие знания о природе черных дыр» и мелкомасштабном производстве.

По словам Каччапальи, они планируют связаться с коллегами из экспериментальных групп, чтобы затем использовать полученные данные для поиска предполагаемого излучения Хокинга.