1974 hävdade Stephen Hawking berömt att svarta hål skulle både avge partiklar och absorbera dem. Denna så kallade "Hawking-strålning" har ännu inte observerats, men nu har en forskargrupp från Europa funnit att Hawking-strålning borde kunna observeras av befintliga teleskop som kan detektera mycket högenergipartiklar av ljus.
När två massiva svarta hål kolliderar och smälter samman, eller en neutronstjärna och ett svart hål gör det, avger de gravitationsvågor, vågor i rymdtidens väv som färdas utåt. Några av dessa vågor sköljer över jorden miljoner eller miljarder år senare. Dessa vågor förutspåddes av Einstein 1916 och observerades först direkt av LIGO-detektorerna 2016. Dussintals gravitationsvågor från sammanslagningar av svarta hål har upptäckts sedan dess.
Dessa sammanslagningar avger också ett antal "svarta hålsbitar", mindre svarta hål med massor av storleksordningen en asteroid, skapade i det resulterande extremt starka gravitationsfältet runt sammanslagningen på grund av så kallade "olinjära," höghastighetseffekter i allmänhet relativitet. Dessa olinjäriteter uppstår på grund av de inneboende komplexa lösningarna på Einsteins ekvationer, eftersom skev rumtid och massor återkopplas till varandra och båda svarar på och skapar ny rymdtid och massor.
Denna komplexitet genererar också gammastrålningskurar av extremt energiska fotoner. Dessa skurar har liknande egenskaper, med en tidsfördröjning från sammanslagningen av ordningen för deras förångningstid. En bitmassa på 20 kiloton har en förångningslivslängd på 16 år, men denna siffra kan förändras drastiskt eftersom förångningstiden är proportionell mot bitmassan i kuber.
Tyngre bitar kommer initialt att ge en stabil gammastrålningssignal, kännetecknad av reducerade partikelenergier, proportionell mot Hawking-temperaturen. Hawking-temperaturen är omvänt proportionell mot ett svart håls massa.
Forskargruppen visade, genom numeriska beräkningar med användning av en offentlig kod med öppen källkod som heter BlackHawk som beräknar Hawkings avdunstningsspektra för varje distribution av svarta hål, att Hawking-strålningen från de svarta hålsbitarna skapar gammastrålningskurar som har ett distinkt fingeravtryck. Verket publiceras på arXiv förtrycksserver.
Att upptäcka sådana händelser, som har flera signaler – gravitationsvågor, elektromagnetisk strålning, neutrino-emissioner – kallas multibudbärarastronomi i det astrofysiska samhället och är en del av observationsprogrammen vid LIGO gravitationsvågsdetektorer i USA, VIRGO i Italien och, i Japan, KAGRA gravitationsvågteleskopet.
Synliga signaler från förångning av svarta hål inkluderar alltid fotoner över TeV-intervallet (en biljon elektronvolt, cirka 0,2 mikrojoule; till exempel kolliderar CERN Large Hadron Collider i Europa, den största partikelacceleratorn på planeten, protoner frontalt med en total energi på 13,6 TeV). Detta ger en "gyllene möjlighet", skriver gruppen, för så kallade högenergiatmosfäriska Cherenkov-teleskop att upptäcka denna Hawking-strålning.
Dessa Cherenkov-teleskop är markbaserade antennplattor som kan detektera mycket energiska fotoner (gammastrålar) i energiområdet 50 GeV (miljarder elektronvolt) till 50 TeV. Dessa antenner åstadkommer detta genom att detektera Cherenkov-strålningsblixtar som alstras när gammastrålar kaskader genom jordens atmosfär och färdas snabbare än ljusets vanliga våghastighet i luften.
Kom ihåg att ljus färdas något långsammare i luft än det gör i vakuum, eftersom luft har ett brytningsindex som är något större än ett. Hawking gammastrålning som kaskader ner genom atmosfären överstiger detta långsammare värde och skapar Cerenkov-strålning (även kallad bromsstrålning—Bremsstrahlung på tyska). Det blå ljuset som ses i vattenpölar som omger reaktionsstavar i en kärnreaktor är ett exempel på Cerenkov-strålning.
Det finns nu fyra teleskop som kan upptäcka dessa kaskader av Cerenkov-strålning - High Energy Stereoscopic System (HESS) i Namibia, Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) på en av Kanarieöarna, First G-APD Cherenkov Telescope ( FACT), också på La Palma Island i Kanarieöarna, och Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) i Arizona. Även om var och en använder olika teknik, kan de alla upptäcka Cerenkov-fotoner i GeV-TeV-energiområdet.
Att upptäcka sådan Hawking-strålning skulle också kasta ljus (ahem...) på produktionen av svarta hålsbitar, såväl som partikelproduktion vid energier högre än vad som kan uppnås på jorden, och kan bära tecken på ny fysik som supersymmetri, extra dimensioner eller förekomsten av kompositpartiklar baserade på den starka kraften.
"Det var en överraskning att upptäcka att svarta hålsbitar kan stråla ut över detektionsförmågan hos nuvarande högenergiteleskop i Cherenkov på jorden", säger Giacomo Cacciapaglia, huvudförfattare från Université Lyon Claude Bernard 1 i Lyon, Frankrike. Han noterade att direkt detektering av Hawking-strålning från svarta hålsbitar skulle vara det första beviset på svarta håls kvantbeteende, sa han "om den föreslagna signalen observeras, måste vi ifrågasätta den nuvarande kunskapen om svarta håls natur" och bitproduktion.
Cacciapaglia sa att de planerar att kontakta kollegor från experimentella grupper och sedan använda de insamlade uppgifterna för att söka efter Hawking-strålningen de föreslår.
