Nachweis der „Hawking-Strahlung“ von Schwarzen Löchern mit aktuellen Teleskopen

Stephen Hawking behauptete 1974, dass Schwarze Löcher Teilchen nicht nur aussenden, sondern auch absorbieren müssen. Diese sogenannte „Hawking-Strahlung“ wurde bisher noch nicht beobachtet, aber eine europäische Forschungsgruppe hat herausgefunden, dass Hawking-Strahlung mit bestehenden Teleskopen beobachtbar sein sollte, die in der Lage sind, sehr energiereiche Lichtteilchen nachzuweisen.

Wenn zwei massereiche Schwarze Löcher kollidieren und verschmelzen oder ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch dies tun, senden sie Gravitationswellen aus, Wellen im Gefüge der Raumzeit, die sich nach außen ausbreiten. Einige dieser Wellen treffen Millionen oder Milliarden Jahre später auf die Erde. Diese Wellen wurden 1916 von Einstein vorhergesagt und 2016 erstmals direkt von LIGO-Detektoren beobachtet. Seitdem wurden Dutzende Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern entdeckt.

Diese Verschmelzungen emittieren auch eine Reihe von „Schwarzen-Loch-Stücken“, kleineren Schwarzen Löchern mit Massen in der Größenordnung eines Asteroiden, die im resultierenden extrem starken Gravitationsfeld um die Verschmelzung herum aufgrund der als „nichtlinear“ bezeichneten Effekte bei hoher Geschwindigkeit entstehen allgemein. Relativität. Diese Nichtlinearitäten entstehen aufgrund der inhärent komplexen Lösungen von Einsteins Gleichungen, da verzerrte Raumzeit und Massen zueinander reflektiert werden und beide reagieren und neue Raumzeiten und Massen erzeugen.

Diese Komplexität erzeugt auch Gammaausbrüche extrem energiereicher Photonen. Diese Ausbrüche haben ähnliche Eigenschaften, mit einer Verzögerung von der Verschmelzung in der Größenordnung ihrer Verdunstungszeit. Ein Stück mit einer Masse von 20 Kilotonnen hat eine Verdampfungsdauer von 16 Jahren, diese Zahl kann sich jedoch dramatisch ändern, da die Verdampfungszeit proportional zur Masse des gewürfelten Stücks ist.

Schwerere Stücke liefern zunächst ein stabiles Gammastrahlen-Burst-Signal, das durch verringerte Teilchenenergien gekennzeichnet ist, die proportional zur Hawking-Temperatur sind. Die Hawking-Temperatur ist umgekehrt proportional zur Masse eines Schwarzen Lochs.

Das Forschungsteam zeigte durch numerische Berechnungen unter Verwendung des öffentlichen Open-Source-Codes BlackHawk, der Hawking-Verdunstungsspektren für jede Schwarzlochverteilung berechnet, dass Hawking-Strahlung von Schwarzlochstücken Gammastrahlenausbrüche erzeugt, die einen charakteristischen Fingerabdruck haben. Die Arbeit ist auf der veröffentlicht arXiv Preprint-Server.

Die Erkennung solcher Ereignisse, die mehrere Signale haben (Gravitationswellen, elektromagnetische Strahlung, Neutrino-Emissionen), wird in der Astrophysik als Multimessenger-Astronomie bezeichnet und ist Teil der LIGO-Gravitationswellendetektor-Beobachtungsprogramme in den Vereinigten Staaten, VIRGO in Italien und in Italien. Japan, das KAGRA-Gravitationswellenteleskop.

Zu den sichtbaren Signalen der Verdampfung von Schwarzen Löchern gehören immer Photonen über dem TeV-Bereich (eine Billion Elektronenvolt, etwa 0,2 Mikrojoule; zum Beispiel kollidiert der Large Hadron Collider am CERN in Europa, der größte große Teilchenbeschleuniger auf dem Planeten, frontal mit Protonen mit einer Gesamtenergie von 13,6 TeV). Dies sei eine „goldene Gelegenheit“, schreibt die Gruppe, dass hochenergetische atmosphärische Tscherenkow-Teleskope diese Hawking-Strahlung nachweisen könnten.

Bei diesen Cherenkov-Teleskopen handelt es sich um bodengestützte Parabolantennen, die sehr energiereiche Photonen (Gammastrahlen) im Energiebereich von 50 GeV (Milliarden Elektronenvolt) bis 50 TeV erfassen können. Diese Antennen erreichen dies, indem sie Blitze der Tscherenkow-Strahlung erkennen, die entstehen, wenn Gammastrahlen durch die Erdatmosphäre strömen und sich schneller ausbreiten als die normale Geschwindigkeit von Lichtwellen in der Luft.

Denken Sie daran, dass sich Licht in Luft etwas langsamer ausbreitet als im Vakuum, da Luft einen Brechungsindex hat, der etwas größer als eins ist. Die durch die Atmosphäre herabströmende Hawking-Gammastrahlung überschreitet diesen langsameren Wert und erzeugt Tscherenkow-Strahlung (auf Deutsch auch Bremsstrahlung genannt). Das blaue Licht, das in Wasserpfützen rund um die Reaktionsstäbe eines Kernreaktors beobachtet wird, ist ein Beispiel für Tscherenkow-Strahlung.

Mittlerweile gibt es vier Teleskope, die diese Kaskaden der Tscherenkow-Strahlung nachweisen können: das High Energy Stereoscopic System (HESS) in Namibia, die Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) auf einer der Kanarischen Inseln, das erste Tscherenkow-Teleskop G-APD ( FACT), ebenfalls auf der Insel La Palma auf den Kanarischen Inseln, und das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) in Arizona. Obwohl jedes unterschiedliche Technologien verwendet, können sie alle Cerenkov-Photonen im GeV-TeV-Energiebereich erkennen.

Der Nachweis einer solchen Hawking-Strahlung würde auch Aufschluss über die Entstehung von Teilen Schwarzer Löcher sowie über die Entstehung von Teilchen mit Energien geben, die höher sind als die auf der Erde erreichbaren, und könnte Anzeichen einer neuen Physik wie der Supersymmetrie enthalten , zusätzliche Dimensionen oder die Existenz zusammengesetzter Partikel basierend auf der starken Kraft.

„Es war eine Überraschung, dass Teile von Schwarzen Löchern über die Erkennungsfähigkeiten aktueller Hochenergie-Cherenkov-Teleskope hinaus strahlen können“, sagte Hauptautor Giacomo Cacciapaglia von der Université Lyon Claude Bernard 1 in Lyon, Frankreich. Er wies darauf hin, dass der direkte Nachweis der Hawking-Strahlung aus Teilen von Schwarzen Löchern der erste Beweis für das Quantenverhalten von Schwarzen Löchern wäre, und sagte: „Wenn das vorgeschlagene Signal beobachtet wird, müssen wir das aktuelle Wissen über die Natur von Schwarzen Löchern in Frage stellen.“ „Schwarze Löcher“ und Songproduktion.

Cacciapaglia sagte, sie planen, Kontakt zu Kollegen in den Versuchsgruppen aufzunehmen und die gesammelten Daten dann zur Erforschung der von ihnen vorgeschlagenen Hawking-Strahlung zu verwenden.

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