使用当今的望远镜探测黑洞的霍金辐射

1974 年，斯蒂芬·霍金提出著名观点：黑洞不仅会吸收粒子，还会发射粒子。这种所谓的“霍金辐射”至今尚未被观测到，但现在欧洲的一个研究小组发现，现有的能够探测到极高能量光粒子的望远镜应该可以观测到霍金辐射。

当两个巨大的黑洞相撞合并，或者中子星和黑洞相撞合并时，它们会发出引力波，即时空结构向外传播的波动。其中一些波会在数百万年或数十亿年后席卷地球。爱因斯坦于 1916 年预测了这些波，并于2016 年首次被 LIGO 探测器直接观测到。自 以来，已经探测到数十个来自黑洞合并 的引力波。

这些合并还会产生大量“黑洞碎片”，即质量与小行星相当的小型黑洞，它们是由广义相对论中所谓的“非线性”高速度效应在合并周围产生的极强引力场中产生的。这些非线性现象的产生是由于爱因斯坦方程固有的复杂解，因为扭曲的时空和质量相互反馈，并响应和创造新的时空和质量。

这种复杂性还会产生高能光子的伽马射线爆发。这些爆发具有相似的特征，从合并到蒸发时间的延迟时间与它们的蒸发时间相当。20 千吨质量的碎片的蒸发寿命为 16 年，但这个数字可能会发生巨大变化，因为蒸发时间与碎片质量的立方成正比。

较重的粒子最初会发出稳定的伽马射线爆发信号，其特点是粒子能量降低，与霍金温度成正比。霍金温度与黑洞质量成反比。

研究小组利用一种名为BlackHawk的开源公共代码进行数值计算，该代码可计算任意黑洞分布的霍金蒸发光谱，结果表明，黑洞碎片发出的霍金辐射会产生具有独特指纹的伽马射线爆发。该研究成果发表在arXiv预印本服务器上。

探测此类具有多重信号(引力波、电磁辐射、中微子发射)的事件在天体物理学界被称为多信使天文学，也是美国 LIGO 引力波探测器、意大利 VIRGO 和日本 KAGRA 引力波望远镜观测项目的一部分。

黑洞蒸发产生的可见信号总是包含高于 TeV 范围的光子(一万亿电子伏特，约 0.2 微焦耳;例如，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是地球上最大的粒子加速器，它以 13.6 TeV 的总能量对撞质子)。该小组写道，这为所谓的高能大气切伦科夫望远镜探测这种霍金辐射提供了“黄金机会”。

这些切伦科夫望远镜是地面天线，可以探测能量范围为 50 GeV(十亿电子伏特)至 50 TeV 的高能光子(伽马射线)。这些天线通过探测伽马射线穿过地球大气层时产生的切伦科夫辐射闪光来实现这一目标，伽马射线的传播速度比空气中普通光波的速度更快。

回想一下，光在空气中的传播速度比在真空中略慢，因为空气的折射率略大于 1。霍金伽马射线辐射穿过大气层时会超过这个较慢的值，从而产生切伦科夫辐射(也称为制动辐射，德语为轫致辐射)。核反应堆中反应棒周围的水池中看到的蓝光就是切伦科夫辐射的一个例子。

目前有四台望远镜可以探测到这些切伦科夫辐射级联——纳米比亚的高能立体系统 (HESS)、加那利群岛上的大型大气伽马成像切伦科夫望远镜 (MAGIC)、同样位于加那利群岛拉帕尔马岛的第一台 G-APD 切伦科夫望远镜 (FACT)，以及亚利桑那州的超高能辐射成像望远镜阵列系统 (VERITAS)。虽然每台望远镜使用的技术不同，但它们都可以探测到 GeV-TeV 能量范围内的切伦科夫光子。

探测到这样的霍金辐射也将揭示(咳咳……)黑洞碎片的产生，以及比地球所能达到的能量更高的粒子的产生，并且可能带来新物理学的迹象，如超对称、额外维度，或基于强力的复合粒子的存在。

“发现黑洞碎片的辐射超出了目前地球上高能切伦科夫望远镜的探测能力，这真是令人惊讶，”法国里昂克劳德伯纳德第一大学的首席作者贾科莫·卡恰帕利亚说。他指出，直接探测到黑洞碎片的霍金辐射将是黑洞量子行为的第一个证据，他说，“如果观测到所提出的信号，我们将不得不质疑目前对黑洞性质的认识”和碎片的产生。

卡恰帕利亚表示，他们计划联系实验小组的同事，然后利用收集到的数据来寻找他们提出的霍金辐射。