Когда две массивные черные дыры сталкиваются и сливаются, или когда это происходит с нейтронной звездой и черной дырой, они излучают гравитационные волны, колебания в ткани пространства-времени, которые распространяются наружу. Некоторые из этих волн накроют 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 слияний черных дыр .
Эти слияния также испускают ряд "кусочков черных дыр", меньших черных дыр с массой порядка астероида, создаваемых в результате чрезвычайно сильного гравитационного поля вокруг слияния из-за так называемых "нелинейных" эффектов высокой скорости в общей теории относительности. Эти нелинейности возникают из-за изначально сложных решений уравнений Эйнштейна, поскольку искривленные пространство-время и массы взаимодействуют друг с другом, и оба реагируют на новое пространство-время и массы и создают их.
Эта сложность также порождает гамма-всплески чрезвычайно энергичных фотонов. Эти всплески имеют схожие характеристики, с временной задержкой от слияния порядка времени их испарения. Время испарения частицы массой 20 килотонн составляет 16 лет, но это число может резко измениться, поскольку время испарения пропорционально массе частицы в кубе.
Более тяжелые частицы изначально будут обеспечивать устойчивый сигнал гамма-всплеска, характеризующийся уменьшенной энергией частиц, пропорциональной температуре Хокинга. Температура Хокинга обратно пропорциональна массе черной дыры.
Исследовательская группа показала посредством численных расчетов с использованием общедоступного кода с открытым исходным кодом под названием BlackHawk, который вычисляет спектры испарения Хокинга для любого распределения черных дыр, что излучение Хокинга от фрагментов черных дыр создает гамма-всплески, которые имеют характерный отпечаток пальца.
Обнаружение таких событий, которые имеют множественные сигналы — гравитационные волны, электромагнитное излучение, эмиссию нейтрино — в астрофизическом сообществе называется многоволновой астрономией и является частью программ наблюдений на детекторах гравитационных волн LIGO в США, VIRGO в Италии и, в Японии, на гравитационно-волновом телескопе KAGRA.
Видимые сигналы от испарения черных дыр всегда включают фотоны с энергией выше ТэВ (триллион электронвольт, около 0,2 микроджоули; например, Большой адронный коллайдер ЦЕРН в Европе, крупнейший ускоритель элементарных частиц на планете, сталкивает протоны лоб в лоб с полной энергией 13,6 ТэВ). Это предоставляет "прекрасную возможность", пишет группа, так называемым атмосферным черенковским телескопам высокой энергии 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 каскадом проходят через атмосферу Земли, распространяясь быстрее, чем обычная волновая скорость света в воздухе.
Напомним, что в воздухе свет распространяется немного медленнее, чем в вакууме, поскольку показатель преломления воздуха немного больше единицы. Гамма-излучение Хокинга, падающее каскадом через атмосферу, превышает это более медленное значение, создавая черенковское излучение (также называемое тормозным излучением — по-немецки Тормозное излучение). Синий свет, наблюдаемый в лужах воды, окружающих реакционные стержни в ядерном реакторе, является примером черенковского излучения.
В настоящее время существует четыре телескопа, которые могут обнаруживать эти каскады черенковского излучения — стереоскопическая система высоких энергий (HESS) в Намибии, основные черенковские телескопы для получения гамма-изображений атмосферы (MAGIC) на одном из Канарских островов, Первый черенковский телескоп G-APD (FACT), также расположенный на острове Ла Пальма на Канарском архипелаге, и телескоп 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 также пролило бы свет (кхм ...) на образование фрагментов черных дыр, а также на образование частиц с энергиями, более высокими, чем могут быть достигнуты на Земле, и может нести в себе признаки новой физики, такие как суперсимметрия, дополнительные измерения или существование составных частиц, основанных на сильном взаимодействии.
"Было неожиданно обнаружить, что частицы черных дыр могут излучать больше, чем современные черенковские телескопы высокой энергии на Земле", - сказал Джакомо Каччапалья, ведущий автор из Лионского университета имени Клода Бернара 1 в Лионе, Франция. Отметив, что прямое обнаружение излучения Хокинга от фрагментов черных дыр было бы первым доказательством квантового поведения черных дыр, он сказал: "если предполагаемый сигнал будет наблюдаться, нам придется подвергнуть сомнению текущие знания о природе черных дыр" и производстве фрагментов.
Каччапалья сказал, что они планируют связаться с коллегами из экспериментальных групп, а затем использовать собранные данные для поиска предполагаемого излучения Хокинга.
На изображении:
Детектор гамма-излучения HESS. II с пятью телескопами в Намибии.
Дополнительные материалы
