Wanneer twee massieve zwarte gaten botsen en samensmelten, of een neutronenster en een zwart gat dat doen, zenden ze zwaartekrachtsgolven uit, golvingen in het weefsel van de ruimtetijd die zich naar buiten verplaatsen. Sommige van deze golven spoelen miljoenen of miljarden jaren later over de aarde. Deze golven werden in 1916 door Einstein voorspeld en in 2016 voor het eerst rechtstreeks waargenomen door de LIGO-detectoren. Sindsdien zijn tientallen zwaartekrachtsgolven gedetecteerd die afkomstig zijn van samensmelting van zwarte gaten.

Deze fusies zenden ook een aantal ‘stukjes van zwarte gaten’ uit, kleinere zwarte gaten met massa’s in de orde van een asteroïde, gecreëerd in het resulterende extreem sterke zwaartekrachtveld rond de fusie als gevolg van zogenaamde ‘niet-lineaire’ hogesnelheidseffecten in het algemeen. relativiteit. Deze niet-lineariteiten ontstaan ​​als gevolg van de inherent complexe oplossingen van de vergelijkingen van Einstein, omdat verwrongen ruimtetijd en massa's op elkaar reageren en beide op nieuwe ruimtetijd en massa's reageren en nieuwe ruimtetijd en massa's creëren.

Deze complexiteit genereert ook gammaflitsen van extreem energetische fotonen. Deze uitbarstingen hebben vergelijkbare kenmerken, met een tijdsvertraging vanaf de samenvoeging in de orde van hun verdampingstijd. Een brokmassa van 20 kiloton heeft een verdampingslevensduur van 16 jaar, maar dit aantal kan drastisch veranderen omdat de verdampingstijd evenredig is aan de brokmassa in blokjes.

Zwaardere stukjes zullen aanvankelijk een stabiel gammastraaluitbarstingssignaal opleveren, gekenmerkt door verminderde deeltjesenergieën, evenredig aan de Hawking-temperatuur. De Hawking-temperatuur is omgekeerd evenredig met de massa van een zwart gat.

Het onderzoeksteam toonde door middel van numerieke berekeningen met behulp van een open source publieke code genaamd BlackHawk, die de Hawking-verdampingsspectra berekent voor elke verdeling van zwarte gaten, aan dat de Hawking-straling van de stukjes zwart gat gammastraaluitbarstingen veroorzaakt die een kenmerkende vingerafdruk hebben. Het werk is gepubliceerd op de arXiv preprint-server.

Het detecteren van dergelijke gebeurtenissen, die meerdere signalen hebben – zwaartekrachtgolven, elektromagnetische straling, neutrino-emissies – wordt in de astrofysische gemeenschap multimessenger-astronomie genoemd en maakt deel uit van de waarnemingsprogramma’s van de LIGO-zwaartekrachtgolfdetectoren in de VS, VIRGO in Italië en, in Japan, de KAGRA-zwaartekrachtgolftelescoop.

Zichtbare signalen van de verdamping van zwarte gaten omvatten altijd fotonen boven het TeV-bereik (een biljoen elektronvolt, ongeveer 0,2 microjoule; de ​​CERN Large Hadron Collider in Europa, de grootste deeltjesversneller ter wereld, botst bijvoorbeeld frontaal met een totaal van protonen). energie van 13,6 TeV). Dit biedt een "gouden kans", schrijft de groep, voor zogenaamde hoogenergetische Cherenkov-telescopen in de atmosfeer om deze Hawking-straling te detecteren.

Deze Cherenkov-telescopen zijn antenneschotels op de grond die zeer energetische fotonen (gammastraling) kunnen detecteren in het energiebereik van 50 GeV (miljard elektronvolt) tot 50 TeV. Deze antennes bereiken dat door Tsjerenkov-stralingsflitsen te detecteren die worden geproduceerd wanneer de gammastraling door de atmosfeer van de aarde stroomt en zich sneller voortbeweegt dan de gewone golfsnelheid van licht in de lucht.

Bedenk dat licht zich in lucht iets langzamer voortbeweegt dan in een vacuüm, omdat lucht een brekingsindex heeft die iets groter is dan één. De Hawking-gammastraling die door de atmosfeer naar beneden stroomt, overschrijdt deze langzamere waarde, waardoor Cerenkov-straling ontstaat (ook wel remstraling genoemd – Bremsstrahlung in het Duits). Het blauwe licht dat te zien is in waterplassen rond reactiestaven in een kernreactor is een voorbeeld van Cerenkov-straling.

Er zijn nu vier telescopen die deze cascades van Cerenkov-straling kunnen detecteren:het High Energy Stereoscopic System (HESS) in Namibië, de Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) op een van de Canarische Eilanden, de eerste G-APD Cherenkov-telescoop. FACT), ook op het eiland La Palma in de Canarische archipel, en Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) in Arizona. Hoewel ze allemaal een andere technologie gebruiken, kunnen ze allemaal Cerenkov-fotonen in het GeV-TeV-energiebereik detecteren.

Het detecteren van dergelijke Hawking-straling zou ook licht werpen (ahem...) op de productie van stukjes zwart gat, evenals op de productie van deeltjes met energieën die hoger zijn dan op aarde kan worden bereikt, en zou tekenen kunnen bevatten van nieuwe natuurkunde zoals supersymmetrie, extra dimensies, of het bestaan ​​van composietdeeltjes gebaseerd op de sterke kracht.

"Het was een verrassing om te ontdekken dat stukjes zwart gat boven de detectiemogelijkheden van de huidige hoogenergetische Cherenkov-telescopen op aarde kunnen uitstralen", zegt Giacomo Cacciapaglia, hoofdauteur van de Université Lyon Claude Bernard 1 in Lyon, Frankrijk. Hij merkte op dat directe detectie van Hawking-straling uit stukjes zwarte gaten het eerste bewijs zou zijn van het kwantumgedrag van zwarte gaten, en zei dat "als het voorgestelde signaal wordt waargenomen, we de huidige kennis van de aard van zwarte gaten in twijfel zullen moeten trekken" en productie van stukjes.

Cacciapaglia zei dat ze van plan zijn contact op te nemen met collega's van experimentele groepen en de verzamelde gegevens vervolgens te gebruiken om te zoeken naar de Hawking-straling die zij voorstellen.