“霍金辐射”可能正在消除黑洞。观察它的发生会揭示新的物理学

原始黑洞可能在整个宇宙中爆炸。一项研究表明，如果我们能在行动中抓住它们，它可能为新物理学铺平道路。

原始黑洞（PBHs）被认为是在大爆炸之后形成的，可能正在整个宇宙中升温并爆炸。

物理学家在一项新的研究中表示，这些由霍金辐射驱动的黑洞爆炸可能会被即将到来的望远镜探测到。霍金辐射是一种量子过程，黑洞由于其强烈的引力场而从真空中产生粒子。一旦被发现，这些奇异的爆炸可能会揭示我们的宇宙是否含有以前未被发现的粒子。

时间之初的黑洞

已经有大量证据表明黑洞的存在，黑洞的质量从太阳的几倍到太阳质量的数十亿倍不等。这些黑洞是通过它们在合并过程中发射的引力波直接探测到的，引力波帮助它们成长。一些黑洞，如银河系的人马座A*，甚至被视界望远镜直接成像为“阴影”。

据美国国家航空航天局（NASA）称，PBH最早是由雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zeldovich）和伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov）在1967年提出的，被认为是在大爆炸后的一秒内形成的，可能和亚原子粒子一样小。与大质量恒星和星系坍缩形成的大质量黑洞不同，PBH可能是由早期宇宙中极热的粒子“原始汤”中超密集区域的坍缩产生的。

如果它们存在，这些致密的物体可以为暗物质提供一个自然的解释，暗物质是一种不可见的实体，占宇宙物质的85%。然而，PBH仍然难以捉摸。它们在理论上的存在得到了一系列宇宙模型的支持，但它们还没有被直接观察到。

霍金辐射效应

PBH最有趣的一个方面是它们与霍金辐射的联系。根据量子理论，黑洞并不是完全“黑”的；它们可以释放辐射，并通过斯蒂芬·霍金首先提出的理论慢慢失去质量。这种被称为霍金辐射的辐射，发生在虚拟粒子对在黑洞边缘（即“视界”）附近的真空空间中进出时。虽然这些粒子对通常会相互湮灭，但如果一个粒子落入黑洞，另一个粒子就会以辐射的形式逃逸。随着时间的推移，这导致黑洞逐渐蒸发。

葡萄牙科英布拉大学的理论物理学家、该研究的合著者马尔科·卡尔扎在一封电子邮件中指出：“对于质量比太阳大几倍的黑洞，霍金辐射几乎无法检测到。但较轻的黑洞，如PBH，会更热，发出更多的辐射，这可能使我们能够探测到这一过程。这种辐射可以包括各种粒子，从光子到电子再到中微子。”

当PBH蒸发时，它会失去质量，变得更热，并在反馈回路中释放更多的辐射。最终，黑洞会在强烈的辐射中爆炸 —— 现有的伽马射线和中微子望远镜正在积极寻找这一过程。虽然目前还没有发现明确的PBH爆炸，但新的研究表明，这些罕见的事件可能是解开新物理学的关键。

探索PBH的最后时刻

在他们最近发表在《高能物理杂志》上的研究中，卡尔扎和研究合著者若昂·G.罗莎（也是科英布拉大学的理论物理学家）介绍了在蒸发的最后阶段研究PBH的创新方法。通过分析霍金辐射的特性，两人开发了估算PBH质量和自旋的工具。

“跟踪PBH蒸发时的质量和旋转可以为其形成和演化提供有价值的线索，”罗莎在一封电子邮件中表示。

他们的工作对基础物理学具有重要意义。在之前的一项研究中，罗莎、卡尔扎和牛津大学的合作者约翰·马奇-罗素探索了弦理论 —— 一种在单一量子理论中统一自然基本力的尝试 —— 如何影响蒸发的PBH。弦理论预测存在许多被称为轴子的低质量粒子，它们没有固有的自旋。他们的研究表明，轴子发射实际上可以使PBH旋转，这与霍金的预测相反。

“旋转的PBH将为这些奇异轴子提供令人信服的证据，有可能彻底改变我们对粒子物理学的理解，”卡尔扎说。

此外，该研究表明，分析PBH在最后时刻的质量和自旋的演变可能会揭示其他新粒子的存在。通过追踪霍金辐射的光谱，科学家们可能能够区分高能粒子物理模型。中微子望远镜，如冰立方，甚至可以帮助发现PBH在太空爆炸时的新粒子。

罗莎说：“如果我们能捕捉到一个PBH爆炸并测量它的霍金辐射，我们就能了解到大量关于新粒子的信息，并有可能指导未来粒子加速器的设计。”

虽然目前还没有发现爆炸的PBH，但罗莎和卡尔扎团队开发的工具和方法可以为未来的发现铺平道路。研究人员强调，专门的实验可能没有必要，因为一些具有前所未有灵敏度的新型伽马射线和中微子望远镜已经在开发中。

“如果它在附近爆炸，即将到来的望远镜可以很容易地发现它。如果我们足够幸运地探测到PBH爆炸，它可能会改变我们对自然基本定律的一切了解，”罗莎说。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！