“碎片”黑洞最终可以证明斯蒂芬霍金的著名理论是正确的

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Robert Lea

Wed, June 5, 2024, 5:00 PM GMT+8·

美国宇航局的仿真显示来自两个超大质量黑洞随螺旋朝向彼此迎头碰撞的辉光。

    斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）留给人类的最深刻的信息之一是没有任何东西永远持续的——而科学家们最终准备好来证明它。

    被霍金的最重要工作传达的想法是：黑洞“泄漏”热辐射的假设，在此过程中蒸发并用最终爆炸结束它们的存在。这种辐射最终会以这位伟大科学家的名字命名的被称为“霍金辐射”而来。然而，直到今天，这是一个仍然未被探测到并且纯粹是假设的概念。但现在，一些科学家认为他们可能已经发现了一种最终改变这种状况的方法。也许我们很快就处在朝向巩固霍金辐射为事实的道路上。

    该团队提出当更大的黑洞灾难性的碰撞和合并时微小而热的“碎片”黑洞可能被发射进太空- 而这可能是关键。

    重要的是霍金曾说过更小的黑洞泄漏霍金辐射的速度越快。因此，从理论上讲质量为太阳数百万或数十亿倍的超大质量黑洞要用比预测的宇宙寿命更长的时间来完全“泄漏”。换句话说，我们甚至怎样能检测到这种广大的长期泄漏呢？好吧，也许我们不能——但当到这些在意大利语中被标榜为“Bocconcini di Buchi Neri” 的小行星质量黑洞时我们可能处在幸运中。

    像这些微小黑洞可能在一个对人类真的可以观察到的时间尺度上蒸发和爆炸。此外，研究小组说这些黑洞寿命的结束应该被一个特征信号标志，表明它们的经由霍金辐射的泄漏缩小和死亡。

    这一提议背后的科学家、南丹麦大学的理论物理学家弗朗切斯科·桑尼诺（Francesco Sannino）告诉太空网站， “霍金预测了黑洞通过发射粒子蒸发，我们出发来研究这个以及许多碎片黑洞或者'Bocconcini di Buchi Neri'产生的观测影响，我们想象在诸如两个天体物理黑洞的合并灾难性事件中形成的这些黑洞”。

碎片黑洞不能保持它们的凉

    霍金辐射的起源追溯回到斯蒂芬霍金1974年写的发表在《自然》杂志上一封名为“黑洞爆炸”的信。这封信是当霍金考虑了量子物理学对黑洞形式主义的影响时出来的，源自阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论的黑洞现象。这很有趣，因为量子理论和广义相对论是两个臭名昭著的抵制统一的理论，甚至今天。

    霍金辐射50年来一直仍然困扰的且未被探测到，原因可能有两个：首先大多数黑洞可能毕竟不发射这种热辐射，其次，如果它们发射它可能不是可探测到的。另外，一般黑洞一开始就是非常奇怪的天体，因此来研究很复杂。

    桑尼诺说，“弯曲思维的是黑洞有反比于它们的质量的温度。这意味着它们的质量越大它们就越冷，它们的质量越小它们就更热”。

    甚至在太空中最空的区域中，您将发现约为零下 454 华氏度（零下 270 摄氏度）的温度。这是因为来自大爆炸后遗留下来的一个叫“宇宙微波背景”或“CMB”均匀辐射场。这个场往往也被称为一个“宇宙化石”，因为它完全的多古老。此外，按照热力学第二定律，热应该不能够从一个更冷的物体流向一个更热的物体。

    桑尼诺说，“不比几个太阳质量更重的黑洞是稳定的，因为它们比宇宙微波背景更冷，因此，预计只有更小的黑洞来发射可能潜在的被观测到的霍金辐射”。

大麦哲伦星云前一个黑洞的模拟观望。

    法国国家科学研究中心的研究作者贾科莫·卡恰帕利亚（Giacomo Cacciapaglia）告诉太空网站，因为当今宇宙中绝大多数黑洞都是天体物理起源，质量超过太阳的几倍，它们不能发射可观测的霍金辐射。

    卡恰帕利亚补充道，“只有比月球更轻的黑洞能发射霍金辐射。我们提出这种类型的黑洞可能在一个黑洞合并期间产生并被甩并就在它的产生后开始辐射，块块黑洞将在一个黑洞合并附近大量产生”。

    然而，这些黑洞太小不能创造允许它们被直接成像的效果，就像事件地平线望远镜通过聚焦在围绕它们的辉光物质上为超大质量黑洞所做的那样。

    研究小组提出有一个独特的可被用来指示这些小黑洞的存在的签名。这将以发生在天空中黑洞合并已经被检测到的同一区域的一个伽马射线暴的强大的高能辐射爆炸的形式而来。

伽马射线暴从围绕黑洞合并的区域爆发

    研究人员说这些Bocconcini di Buchi Neri黑洞随它们失去质量会越来越快地辐射霍金辐射，加速它们的爆炸性消亡。那些拥有约为20000吨质量的黑洞估计要用16年来蒸发，而质量至少为100000千吨的黑洞可能潜在的会持续数百年。

    这些块块的蒸发和破坏将产生超过万亿电子伏特（TeV）能量范围的光子。为得到一个那个的能量多大的想法，桑尼诺说欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）是地球上最大的粒子加速器用一个总能量13.6 TeV正面碰撞质子。

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    然而，研究人员确实有一个如何随它们蒸发探测这些小块黑洞的想法。首先，黑洞合并可以经由引力波的发射探测，引力波是被爱因斯坦预测的空时中的微小涟漪，随天体碰撞发射出。

    然后，天文学家可以用伽马射线望远镜跟进这些合并，例如高空水切伦科夫伽马射线天文台，它能发现能量在100千兆电子伏特（GeV）和100 TeV之间的光子。

    该团队承认在小块黑洞的存在被确认之前还有很长的路要走，因此，在我们能够一劳永逸地验证霍金辐射之前还有很长的路要走。

    卡恰帕利亚总结道， “因为这是一个新想法，还有很多工作要做。我们计划更好建模在TeV尺度之外的高能量下发射的霍金辐射，在那里我们的粒子物理学的知识变得不那么确定，这将涉及在他们的数据集中搜索这些独特的签名的实验合作，在一个更长的时间线上，我们计划详细调查在像黑洞合并等灾难性天体物理事件期间碎片的产生”。

    该团队的研究作为存储库中的预印本论文在 arXiv上可利用。