„Black Hole Marsels“: Teorie Stephen Hawking by mohla odhalit podivné nové objekty, které zpochybňují fyziku
Drobné Černé díry Nová teoretická studie navrhuje vytvořené v důsledku násilných kosmických kolizí by mohlo nabídnout bezprecedentní vhled do kvantové struktury prostoru a času.
A co víc, signály z těchto „černošských soustů“ by mohly být potenciálně detekovány současnými nástroji, uvedli vědci ve studii, která byla zveřejněna v časopise B. Nuclear Physics.
„Naše práce ukazuje, že pokud jsou tyto objekty vytvořeny, jejich záření by již mohlo být detekovatelné pomocí stávajících observatorů gama paprsků,“ Francesco SanninoTeoretický fyzik na University of Southern Dánsko a spoluautor studie řekl Live Science e-mailem.
Hawkingové záření a nejmenší černé díry
Jednou z nejhlubších tajemství moderní fyziky je to, jak se gravitace chová na kvantové úrovni. Nová studie nabízí odvážný návrh na prozkoumání tohoto režimu hledáním záře produkované malým Černé díry Vytvořeno v důsledku obřích kolizí černé díry.
Myšlenka, že černé díry nejsou zcela černé, a proto by mohly emitovat slabé záření, byla poprvé navržena Stephenem Hawkingem v 70. letech. Jeho výpočty odhalily, že kvantové účinky poblíž černé díry Horizont události způsobilo by to, že by emitoval záření a ztratil hmotu – proces nyní známý jako hawkingový záření. Předpokládá se, že teplota černé díry bude nepřímo úměrná její hmotě. Takže pro masivní astrofyzikální černé díry je účinek nepatrný, s teplotami tak nízkými, že záření je účinně nezjistitelné. Ale pro velmi malé černé díry je situace jiná.
„Kříže černé díry jsou hypotetické mikro-černé otvory, které by mohly být vytvořeny během násilné sloučení dvou astrofyzikálních černých děr,“ Giacomo CacciapagliaV e-mailu uvedl vedoucí výzkumný pracovník ve Francouzském národním centru pro vědecký výzkum (CNRS) a spoluautor studie. „Na rozdíl od větší rodičovské černé díry jsou tyto sousty mnohem menší – srovnatelné v hmotnosti s asteroidy – a tím mnohem teplejší kvůli inverznímu vztahu mezi hmotou černé díry a jestřábnou teplotou.“
Související: Vědci detekují nejmenší fúzi černé díry – a porodila to monstrum 225krát více než Slunce
Kvůli této zvýšené teplotě by se tyto souse odpařily relativně rychle a uvolnily by se roztržení vysokoenergetických částic, jako například gama paprsky a Neutrina. Analýza týmu naznačuje, že toto záření by mohlo tvořit odlišný signál, který může být již v dosahu současných detektorů.
Nová rukojeť na kvantovou gravitaci
Ačkoli dosud nebyly pozorovány žádné takové sousty, vědci tvrdí, že tvorba těchto malých černých děr je teoreticky věrohodná. „Myšlenka je inspirována analogickými procesy v fúzích neutronové hvězdy,“ Stefan HoheneggerVedoucí výzkumný pracovník na Institutu De Physique des Deux Infinis de Lyon a spoluautor studie, vysvětlil v e-mailu. „Je to podporováno odhady z rámců relativity za generací, včetně Teorie řetězců a mimorozměrné modely. “
V takových extrémních prostředích by nestability v malém měřítku mohly během procesu fúze potlačit malé černé díry. Tyto objekty by se zase mohly odpadit přes hawkingové záření přes časové plány od milisekund po roky, v závislosti na jejich hmotě.
Je důležité, že pokud je takové záření detekováno, mohlo by to otevřít okno do nové fyziky. „Hawkingové záření kóduje informace o základní kvantové struktuře časoprostoru,“ řekl Sannino. „Jeho spektrální vlastnosti by mohly odhalit odchylky od Standardní model v extrémní energetické stupnici, potenciálně vedoucí k objevením neznámých částic nebo takových jevů, jako jsou další rozměry předpovídané různými teoriemi. ““
Takové energetické stupnice leží daleko za dosah i nejmocnějších slalváčů částic, jako je Velký hadron Collider v CERN. Možnost, že by mohly by morsy černé díry poskytnout přirozený „akcelerátor“ pro sondování těchto fyziky, je to, co je tak přesvědčivé.
Podle týmu by podpis sousta černé díry byl zpožděným výbuchem vysokoenergetických gama paprsků vyzařujících ve všech směrech-na rozdíl od typických gama paprsků, které jsou obvykle paprskové.
Mezi nástroje schopné detekovat takové signály s vysokou energií patří atmosférické cherenkovské dalekohledy, jako je stereoskopický systém s vysokou energií (HESS) v Namibii; Observatoř s vysokou nadmořskou vodou Cherenkov (HAWC) v Mexiku; a velká vysoká nadmořská observatoř pro vzduch (Lhaaso) v Čínastejně jako satelitní detektory, jako je kosmický dalekohled Fermi Gamma-Ray. „Některé z těchto nástrojů již mají potřebnou citlivost,“ poznamenal Hohenegger.
Vědci nezastavili teoretizaci. Použili stávající data z HESS a HAWC, aby umístili horní hranice o tom, kolik hmoty lze emitovat ve formě soustů během známých fúzí černé díry. Tyto limity představují první observační omezení takových jevů.
„Ukázali jsme, že pokud by se během fúzí vytvořily závory černé díry, vytvořily by výbuch vysokoenergetických gama paprsků s načasováním výbuchu spojeného s jejich masy,“ řekl Cacciapaglia. „Naše analýza ukazuje, že tento nový multimessenger podpis může nabídnout experimentální přístup k kvantovým gravitačním jevům.“
Co přijde dál
Zatímco studie poskytuje přesvědčivý případ pro sousty, mnoho nejistot zůstává. Přesné podmínky pro jejich tvorbu jsou stále špatně pochopeny a v měřítcích nezbytných k jejich modelování nebyly provedeny žádné úplné simulace. Vědci jsou však optimističtí.
„Budoucí práce bude zahrnovat zdokonalování teoretických modelů pro tvorbu soustů a rozšíření analýzy tak, aby zahrnovala realističtější distribuce hmoty a spinu,“ řekl Sannino. Tým také doufá, že bude spolupracovat s observačními astronomy na provedení specializovaných vyhledávání v archivovaných i nadcházejících datových sadách.
„Doufáme, že tato linie výzkumu otevře nové okno do porozumění kvantové povaze gravitace a struktury prostoru,“ řekl Hohenegger.
Pokud existují souhy černé díry, mohou nejen osvětlit oblohu s exotickým zářením, ale mohou také vrhnout světlo na některé z nejhlubších nevyřešených otázek ve fyzice.
