|
Обнаружение излучения Хокинга от черных дыр
|
|
|
|
В 1974 году Стивен Хокинг, как известно, заявил, что черные дыры должны не только поглощать частицы, но и испускать их. Это так называемое "излучение Хокинга" еще не наблюдалось, но теперь исследовательская группа из Европы обнаружила, что излучение Хокинга должно наблюдаться с помощью существующих телескопов, способных обнаруживать частицы света с очень высокой энергией. Когда две массивные черные дыры сталкиваются и сливаются, или когда это происходит с нейтронной звездой и черной дырой, они испускают гравитационные волны - колебания в ткани пространства-времени, которые распространяются 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.
|
|
|
|
В результате этих слияний также образуется ряд "кусочков черной дыры", черных дыр меньшего размера с массами порядка астероида, которые образуются в результате чрезвычайно сильного гравитационного поля вокруг слияния из-за так называемых "нелинейных" эффектов высоких скоростей в общей теории относительности. Эти нелинейности возникают из-за сложных по своей сути решений уравнений Эйнштейна, поскольку искривленное пространство-время и массы взаимодействуют друг с другом и создают новые пространство-время и массы. Эта сложность также генерирует гамма-всплески фотонов с чрезвычайно высокой энергией. Эти всплески имеют сходные характеристики, с временной задержкой от слияния порядка времени их испарения. Время испарения кусочка массой 20 килотонн составляет 16 лет, но это число может резко измениться, поскольку время испарения пропорционально массе кусочка в кубе. Более тяжелые частицы первоначально будут давать устойчивый сигнал о вспышке гамма-излучения, характеризующийся уменьшением энергии частиц, пропорциональным температуре Хокинга. Температура Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры.
|
|
|
Исследовательская группа с помощью численных расчетов с использованием общедоступного кода BlackHawk с открытым исходным кодом, который вычисляет спектры испарения Хокинга для любого распределения черных дыр, показала, что излучение Хокинга от частиц черной дыры создает гамма-всплески, которые имеют характерный отпечаток пальца. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv. Обнаружение таких событий, которые имеют множество сигналов — гравитационные волны, электромагнитное излучение, нейтринные выбросы, — в астрофизическом сообществе называется мультимессенджерной астрономией и является частью программ наблюдений на детекторах гравитационных волн LIGO в США, VIRGO в Италии и на телескопе гравитационных волн KAGRA в Японии. Видимые сигналы от испарения черной дыры всегда включают фотоны с энергией выше ТэВ (триллион электрон-вольт, около 0,2 микроджоулей; например, Большой адронный коллайдер ЦЕРНА в Европе, крупнейший ускоритель элементарных частиц на планете, сталкивает протоны лоб в лоб с общей энергией 13,6 ТэВ). Как пишет группа, это дает "прекрасную возможность" так называемым высокоэнергетическим атмосферным телескопам Черенкова обнаружить это излучение Хокинга.
|
|
|
|
Эти черенковские телескопы представляют собой наземные антенные тарелки, способные обнаруживать фотоны очень высокой энергии (гамма-лучи) в диапазоне энергий от 50 ГэВ (миллиардов электрон-вольт) до 50 ТэВ. Эти антенны достигают этого, обнаруживая вспышки черенковского излучения, которые возникают, когда гамма-лучи каскадом проходят через атмосферу Земли, распространяясь быстрее, чем обычная скорость распространения света в воздухе. Напомним, что в воздухе свет распространяется немного медленнее, чем в вакууме, поскольку воздух имеет показатель преломления, немного превышающий единицу. Гамма—излучение Хокинга, падающее каскадом вниз через атмосферу, превышает это более медленное значение, создавая излучение Черенкова (также называемое тормозным излучением - Bremsstrahlung по-немецки). Синий свет, который можно увидеть в лужах воды, окружающих реакционные стержни в ядерном реакторе, является примером излучения Черенкова.
|
|
|
|
В настоящее время существуют четыре телескопа, которые могут регистрировать эти каскады Черенковского излучения: стереоскопическая система высоких энергий (HESS) в Намибии, главный атмосферный гамма—Черенковский телескоп (MAGIC) на одном из Канарских островов, первый Черенковский телескоп G-APD (FACT), также расположенный на острове Ла-Пальма в США. Канарский архипелаг и массив телескопов с очень мощным излучением (VERITAS) в Аризоне. Хотя в каждом из них используется разная технология, все они могут обнаруживать черенковские фотоны в диапазоне энергий ГэВ-ТэВ. Обнаружение такого излучения Хокинга также пролило бы свет (гм...) на образование фрагментов черных дыр, а также на образование частиц с энергиями, превышающими те, которые могут быть достигнуты на Земле, и может содержать признаки новой физики, такой как суперсимметрия, дополнительные измерения или существование составных частиц, основанных на сильном взаимодействии.
|
|
|
|
"Было неожиданностью обнаружить, что частицы черной дыры могут излучать больше, чем позволяют обнаружить современные черенковские телескопы с высокой энергией, установленные на Земле", - сказал Джакомо Каччиапалья, ведущий автор из Лионского университета Клода Бернара 1 в Лионе, Франция. Отметив, что прямое обнаружение излучения Хокинга от частиц черных дыр стало бы первым свидетельством квантового поведения черных дыр, он сказал: "если предполагаемый сигнал будет обнаружен, нам придется поставить под сомнение современные знания о природе черных дыр" и о производстве частиц. Каччиапалья сказал, что они планируют связаться с коллегами из экспериментальных групп, а затем использовать собранные данные для поиска предполагаемого излучения Хокинга.
|
|
|
|
Источник
|
