تشخیص ‘تابش هاوکینگ’ از سیاهچاله ها با استفاده از تلسکوپ های امروزی

در سال ۱۹۷۴ استیون هاوکینگ ادعا کرد که سیاهچاله ها باید ذرات را ساطع کنند و همچنین آنها را جذب کنند. این به اصطلاح ‘تابش هاوکینگ’ هنوز مشاهده نشده است، اما اکنون یک گروه تحقیقاتی از اروپا دریافته اند که تابش هاوکینگ باید توسط تلسکوپ های موجود قابل مشاهده باشد که قادر به تشخیص ذرات با انرژی بسیار بالا نور هستند.

هنگامی که دو سیاهچاله عظیم با هم برخورد می کنند و ادغام می شوند، یا یک ستاره نوترونی و سیاهچاله این کار را انجام می دهند، امواج گرانشی ساطع می کنند، موج هایی در بافت فضازمان که به سمت بیرون حرکت می کنند. برخی از این امواج میلیون ها یا میلیاردها سال بعد بر روی زمین می نشینند. این امواج توسط انیشتین در سال ۱۹۱۶ پیش‌بینی شد و اولین بار مستقیماً توسط آشکارسازهای LIGO در سال ۲۰۱۶ مشاهده شد. از آن زمان ده‌ها موج گرانشی از ادغام سیاه‌چاله‌ها شناسایی شده‌اند.

این ادغام‌ها همچنین تعدادی لقمه سیاه‌چاله را منتشر می‌کنند، سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر با جرم‌هایی در حد یک سیارک، که در نتیجه میدان گرانشی بسیار قوی در اطراف ادغام به دلیل اثرات به اصطلاح «غیرخطی» به‌طور کلی با سرعت بالا ایجاد شده‌اند. نسبیت این غیرخطی‌ها به دلیل حل‌های ذاتاً پیچیده معادلات انیشتین به وجود می‌آیند، زیرا فضازمان و جرم‌ها به یکدیگر بازخورد می‌دهند و هر دو به فضا-زمان و جرم‌های جدید پاسخ می‌دهند و ایجاد می‌کنند.

این پیچیدگی همچنین انفجارهای پرتو گاما از فوتون های بسیار پرانرژی را ایجاد می کند. این انفجارها دارای ویژگی های مشابهی هستند، با تاخیر زمانی از ادغام ترتیب زمان تبخیر آنها. یک لقمه ۲۰ کیلوتنی دارای طول عمر تبخیر ۱۶ سال است، اما این عدد می تواند به شدت تغییر کند زیرا زمان تبخیر متناسب با جرم لقمه مکعبی است.

لقمه‌های سنگین‌تر در ابتدا سیگنال انفجار پرتو گامای ثابتی را ارائه می‌دهند که با کاهش انرژی ذرات، متناسب با دمای هاوکینگ مشخص می‌شود. دمای هاوکینگ با جرم سیاهچاله نسبت معکوس دارد.

تیم تحقیقاتی از طریق محاسبات عددی با استفاده از یک کد عمومی منبع باز به نام BlackHawk که طیف تبخیر هاوکینگ را برای هر گونه توزیع سیاهچاله ها محاسبه می کند، نشان داد که تابش هاوکینگ از لقمه های سیاه چاله انفجارهای پرتو گاما ایجاد می کند که اثر انگشت مشخصی دارند. کار بر روی سرور preprint arXiv منتشر شده است.

تشخیص چنین رویدادهایی که دارای سیگنال های متعدد هستند – امواج گرانشی، تشعشعات الکترومغناطیسی، انتشار نوترینو – در جامعه اخترفیزیکی نجوم چند پیام رسان نامیده می شود و بخشی از برنامه های رصدی در آشکارسازهای امواج گرانشی LIGO در ایالات متحده، VIRGO در ایتالیا و در … ژاپن، تلسکوپ موج گرانشی کاگرا.

سیگنال‌های مرئی ناشی از تبخیر سیاه‌چاله همیشه شامل فوتون‌های بالاتر از محدوده TeV (یک تریلیون الکترون ولت، حدود ۰.۲ میکروژول) می‌شود؛ برای مثال، برخورد دهنده بزرگ هادرون CERN در اروپا، بزرگترین شتاب‌دهنده ذرات روی این سیاره، با پروتون‌ها رو به رو برخورد می‌کند. انرژی ۱۳.۶ TeV). این گروه می نویسد، این یک ‘فرصت طلایی’ برای تلسکوپ های چرنکوف اتمسفری به اصطلاح پرانرژی برای شناسایی این تشعشعات هاوکینگ فراهم می کند.

این تلسکوپ‌های چرنکوف، بشقاب‌های آنتنی زمینی هستند که می‌توانند فوتون‌های بسیار پرانرژی (اشعه گاما) را در محدوده انرژی ۵۰ گیگا ولت (میلیارد الکترون ولت) تا ۵۰ TeV شناسایی کنند. این آنتن ها با شناسایی فلاش های تشعشعات چرنکوف که با آبشار پرتوهای گاما در جو زمین تولید می شوند و سریعتر از سرعت موج معمولی نور در هوا حرکت می کنند، این کار را انجام می دهند.

به یاد بیاورید که نور در هوا کمی کندتر از خلاء حرکت می کند، زیرا ضریب شکست هوا کمی بیشتر از یک است. تابش پرتو گامای هاوکینگ که در اتمسفر آبشاری می‌کند از این مقدار کندتر فراتر می‌رود و تشعشع سرنکوف را ایجاد می‌کند (که در آلمانی تابش ترمز نیز نامیده می‌شود). نور آبی دیده شده در حوضچه های آبی که میله های واکنش را در یک راکتور هسته ای احاطه کرده اند، نمونه ای از تشعشعات سرنکوف است.

اکنون چهار تلسکوپ وجود دارد که می تواند این آبشارهای تابش سرنکوف را شناسایی کند – سیستم استریوسکوپی با انرژی بالا (HESS) در نامیبیا، تلسکوپ های اصلی تصویربرداری گامای جوی چرنکوف (MAGIC) در یکی از جزایر قناری، اولین تلسکوپ چرنکوف G-APD. FACT)، همچنین در جزیره لا پالما در مجمع الجزایر قناری، و سیستم آرایه تلسکوپ تصویربرداری تابشی بسیار پرانرژی (VERITAS) در آریزونا. اگرچه هر کدام از فناوری‌های متفاوتی استفاده می‌کنند، اما همه آنها می‌توانند فوتون‌های سرنکوف را در محدوده انرژی GeV-TeV شناسایی کنند.

تشخیص چنین تشعشعات هاوکینگ همچنین بر تولید لقمه های سیاهچاله و همچنین تولید ذرات در انرژی های بالاتر از آنچه در زمین می توان به دست آورد، روشن می کند و ممکن است نشانه هایی از فیزیک جدید مانند ابرتقارن، ابعاد اضافی یا وجود ذرات مرکب بر اساس نیروی قوی.

جاکومو کاچیاپاگلیا، نویسنده اصلی از دانشگاه لیون کلود برنارد ۱ در لیون، فرانسه گفت: «تعجب آور بود که متوجه شدیم لقمه‌های سیاه‌چاله می‌توانند بالاتر از قابلیت‌های تشخیص تلسکوپ‌های چرنکوف با انرژی بالا بر روی زمین تابش کنند. وی با اشاره به اینکه تشخیص مستقیم تابش هاوکینگ از ذرات سیاهچاله اولین شواهد رفتار کوانتومی سیاهچاله ها خواهد بود، گفت: ‘اگر سیگنال پیشنهادی مشاهده شود، باید دانش فعلی ماهیت سیاهچاله ها را زیر سوال ببریم.’ تولید لقمه

Cacciapaglia گفت که آنها قصد دارند با همکاران گروه های آزمایشی تماس بگیرند و سپس از داده های جمع آوری شده برای جستجوی تشعشعات هاوکینگ استفاده کنند.