천문학

호킹 방사선을 감지 할 수 있으며 존재합니까?

호킹 방사선을 감지 할 수 있으며 존재합니까?


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나는 콘테스트를 위해 블랙홀 호킹 방사선을 연구하고 있으며 지금까지 프로세스가 어떻게 작동하는지에 대한 전반적인 요점을 얻었습니다. 그러나 내가 검색 한 한, 실험실 시뮬레이션 / 재창을 제외하고는 그것이 존재한다는 확인 된 관찰 증거가 없습니다. 이론적 인 측면은 말이되지만 그것이 존재하는지 어떻게 알 수 있습니까?


호킹 방사선이 존재하는지 어떻게 알 수 있습니까?

양자 물리학 (양자 장 이론)과 일반 상대성 이론은 물리학의 두 가지 주요 이론으로 간주되며, 원자 및 아 원자 입자의 규모에서 광범위한 현상을 우주의 능력 / 타당성을 넘어 설명 할 수 있습니다. 고전적이고 비 상대 론적 물리학. 그들은 또한 많은 놀라운 예측을 제공하며, 그 중 다수는 실험적으로 확인되었습니다. 따라서 우리는 이러한 이론의 타당성에 대해 확신합니다 (그리고 그 한계도 알고 있습니다). 우리가 이러한 이론의 기본 원리를 받아 들인다면, 우리가이 현상을 어떻게 해석하더라도 호킹 방사선의 존재는 의심 할 여지가 없습니다.

호킹은 전통적으로 1974 년 슈바르츠 실트 블랙홀 배경의 이벤트 지평선 근처의 양자 장 연구 (양자화)를 사용하여 서로 다른 위치에있는 다른 관찰자 (이 주제를 곡선 배경에서 양자 장 이론이라고 함)를 사용하여 획득했습니다. 또한 Heisenberg의 불확실성 원리를 사용하고 양자 역학 및 일반 상대성 이론의 기본 / 기본 관계를 적용하면 QFT 및 필드 양자화에 대한 지식이 없어도 호킹 온도를 정 성적으로 얻을 수 있습니다 (검은 회전에서 방사를 처음 예측 한 Yakov Zeldovich 참조). 구멍). 호킹 방사능은 물리학의 다양한 접근 방식으로도 예측되므로 현재로서는 그 존재에 대해 의심의 여지가 없지만 주요 문제는이를 감지하는 방법입니다. 블랙홀의 열 분할 함수 (양자 중력 경로 적분 형식의 제로 루프 근사), 극단 D- 뇌 상태의 단일 붕괴 (끈 이론) 등과 같은 호킹 복사를 유도하는 여러 가지 방법이 있습니다. (내 생각에)이 질문의 특종을 벗어난 것입니다. 그건 그렇고, 이러한 이유로, 우리는 양자 물리학과 일반 상대성 (존재한다면)을 결합한 양자 중력 이론은 의심 할 여지없이 호킹 복사를 예측해야한다고 기대합니다.

호킹 방사선에 대한 확인 된 관찰 증거가 있습니까?

아직. 블랙홀의 존재는 이론적으로 가능하며 이제 실험적으로 검증되었습니다 (Reinhard Genzel의 작업 참조). 하지만 호킹 방사선을 관찰하는 데는 심각한 어려움이있는 것 같습니다. 정적 (Schwarzschild) 블랙홀의 호킹 복사에 대한 간단한 계산 결과

$$ {T_ {호킹}} = frac {{ hbar {c ^ 3}}} {{8 pi G {M_ odot} {k_B}}} left ({ frac {{{M_ odot }}} {M}} right) = 6.17 times {10 ^ {-8}} left ({ frac {{{M_ odot}}} {M}} right) , {{ rm {K}} ^ circ}, $$

어디 $ {M_ odot} $ 아들의 질량이고 $ M $ 블랙홀 질량 ($ {k_B} $= 볼츠만 상수, $ G $ = 뉴턴 상수). 붕괴되는 물체의 초기 질량이 이른바 찬드라 세 카르 한계보다 크면 블랙홀의 형성이 가능합니다. $1.4$ $ {M_ odot} $ (즉, $ 2.765 times 10 ^ {30} $ 킬로그램). 이것은 태양 질량 블랙홀 ($ M sim {M_ odot} $) 온도가 약 $60$ $ { rm {nK}} ^ circ $, 더 큰 블랙홀 ($ M> {M_ odot} $) 온도가 더 낮습니다. 이제이 극히 작은 값을 우주 마이크로파 배경 복사 (CMB, 모든 공간을 채우는 희미한 우주 배경 복사)와 비교합니다. $ {T_ {CMB}} 약 2.73 , {{ rm {K}} ^ circ} $. 결론적으로 실제 블랙홀의 온도 (호킹 복사)는 우주의 배경 온도보다 훨씬 낮습니다. 질적으로,이 주장은 회전하는 블랙홀에도 유효합니다. 이것이 적어도 우리 감지기의 현재 기술로는 호킹 방사선을 관찰 할 수 없다고 일반적으로 믿어지는 주된 이유입니다.

호킹 방사선을 찾고

그러나 이것이 이야기의 끝이 아닙니다. 이 답변을 작성할 때까지 직접 관찰 증거가 잠재적으로 배제되기 때문에 시뮬레이션 또는 아날로그 시스템을 통해 간접 실험 증거를 찾아야합니다. 이를 위해 아날로그 중력의 주제와 다양한 모델이 발명되었습니다. 아날로그 중력은 해당 문제에 대한 새로운 통찰력을 얻기 위해 다른 물리적 시스템 (일반적으로 (배타적으로는 아님)) 내에서 일반 상대성 이론 (예 : 블랙홀)에서 현상의 유사성을 조사하는 연구 프로그램입니다. 순진하게도 블랙홀과 아날로그 시스템을 지배하는 수학은 비슷합니다. 따라서 이벤트 지평선 및 호킹 복사와 같은 블랙홀과 동일한 필수 속성을 공유하는 아날로그 중력 모델이 많이 있습니다. 예를 들면 :

  • 이 논문 (Nature Physics에 게시 됨)에서 저자는 하전 된 블랙홀에서와 같이 아날로그 블랙홀 수평선과 내부 수평선을 포함하는 좁고 낮은 밀도의 초저온 원자 Bose-Einstein 응축수를 만들었습니다. 블랙홀 모델에서 그는 블랙홀에서 방출되는 호킹 방사선을 관찰했습니다.

  • 이 논문 (Phys. Rev. Lett.에 게시 됨)에서 저자는 움직이는 물에서 블랙홀 주변의 장 전파와 표면파 사이의 유추를 활용했으며 실험적으로 (세부 사항 생략) 호킹 과정을 확인했습니다.

  • 이 논문 (Phys. Rev. Lett.에 게시 됨)에서 Bose-Einstein 응축수에있는 블랙홀의 (유명한) 유사체는 광파가 아닌 음파가 사건의 지평선을 벗어나십시오.

  • 이것은 블랙홀과 물의 흐름을 비유하는 아날로그 중력에 관한 Physics This Site의 멋진 링크입니다. 블랙홀 아날로그를 사용한 좋은 (가정) 실험에 대한 토론입니다! 또한 이것은 당신에게 유용 할 것입니다.

이러한 아날로그 블랙홀에 대해 웹에서 검색하면 특히 Nature Astronomy Journal에서 호킹 방사선 확인에 대한 흥미로운 많은 논문을 빠르게 찾을 수 있습니다.

호킹 방사선을 탐지 할 천체 물리학 적 후보가 있습니까?

네,하지만 우리는 그것들의 존재에 대해 확신하지 못합니다. Hawking이 제안한대로 원시 블랙홀은 블랙홀 (Hawking) 방사선을 탐지하기위한 동기가 좋은 후보입니다. 이것들은 가상의 빅뱅 직후에 형성된 블랙홀의 유형 (초기 우주의 변동의 결과). 연구에 따르면 모델에 따라 원시 블랙홀의 초기 질량은 다음과 같을 수 있습니다. $10^{-8}$ kg을 수천 개 이상의 태양 질량으로 만듭니다. 이것은 흥미롭고 놀라운 결과이며 그 이유를 설명합니다.

사실 처음에 질량이있는 블랙홀은 $ M $ 결국 아무것도 증발하지 않습니다. Schwarzschild 블랙홀의 Hawking 복사 공식에 따르면, 즉,

$$ {T_ {호킹}} = frac {{ hbar {c ^ 3}}} {{8 pi G {M_ odot} {k_B}}} left ({ frac {{{M_ odot }}} {M}} 오른쪽), $$

호킹 방사선은 블랙홀 질량을 더욱 감소시키고 매우 작은 질량을 가진 블랙홀은 폭주 증발을 경험하여 최종 단계에서 폭발적인 방사선을 생성합니다 (증발은 실제로 큰 열핵만큼 많은 에너지를 방출하므로 매우 치명적일 것입니다. 이 시간 동안 폭탄). 하지만 문제는 우리 시대에 이러한 폭발을 관찰 할 수 있다는 것입니다. Stefan-Boltzmann 법칙을 구현 한 간단한 계산은 블랙홀의 수명이 다음과 같음을 보여줍니다.

$$ { tau _ {{ rm {life}}}} = frac {{256 { pi ^ 3} k_B ^ 4}} {{3G sigma { hbar ^ 4}}} {(GM) ^ 3} = (2.095 times {10 ^ {67}} , { rm {year}}) , { left ({ frac {M} {{{M_ odot}}}} right) ^ 3}, $$

어디 $ 시그마 $ 잘 알려진 Stefan-Boltzmann 상수입니다. 태양 질량 블랙홀의 경우 이것은 우주의 나이보다 훨씬 큽니다 (즉, $13.8$ 10 억년), 그래서 그들은 좋은 후보가 아닙니다. 반면, 위의 공식을 사용하면 질량이 다음보다 낮은 원시 블랙홀을 나타낼 수 있습니다. $10^{11}$ kg은 호킹 방사선으로 인해 현재까지 살아남지 못했을 것입니다. 그러나 흥미롭게도, 태양 질량보다 질량이 낮은 원시 블랙홀 (존재하는 경우)의 경우 ($ 2 times 10 ^ {30} $ kg) 이상 $10^{11}$ kg, 수백만 메가톤의 폭발력을내는 수소 폭탄에 해당하는 큰 폭발 인 삶의 마지막 단계를 감지 / 관찰 할 수 있습니다! 이러한 선을 따라 여러 조사가 존재합니다. 예를 들어 [1], [2], [3] 및 [4]를 참조하십시오.

물론, 평소와 같이 원시 블랙홀에서 호킹 방사선을 실험적으로 감지하는 데는 기술적 / 기본적 어려움이 있습니다. 이것은 또 다른 이야기의 시작입니다 (좋은 토론은이 링크를 참조하십시오).


원시 블랙홀에서 방출되는 호킹 방사선을 감지하는 새로운 가능성

많은 물리학 자들이 빛을 흡수, 반사 또는 방출하지 않는 유형의 물질 인 암흑 물질의 존재를 예측했지만, 지금까지 아무도 그것을 실험적으로 관찰하거나 그 근본적인 성질을 결정할 수 없었습니다. 초기 우주에서 형성된 블랙홀 인 PBH (Light Primordial Black Hole)는 가장 유망한 암흑 물질 후보 중 하나입니다. 그러나 이러한 블랙홀의 존재는 아직 확인되지 않았습니다.

암스테르담 대학과 캘리포니아 대학 산타 크루즈의 연구원은 최근 암흑 물질로서 PBH의 허용 된 매개 변수 공간에 대한 기존 제약을 개선하기위한 연구를 수행했습니다. 그들의 논문에서 물리적 검토 편지, 그들은 또한 암흑 물질 밀도가 높은 지역에서 호킹 방사선을 직접 감지하고 잠재적으로 PBH 암흑 물질의 발견을 가능하게하는 데 사용할 수있는 가능한 방법을 제안합니다.

호킹 복사는 스티븐 호킹이 블랙홀에 의해 자발적으로 방출 될 것으로 예측 한 열 복사입니다. 이 복사는 양자 진공 변동을 한 쌍의 입자로 변환하여 발생하는 것으로 가정합니다. 하나는 블랙홀을 빠져 나가고 다른 하나는 이벤트 지평선 (즉, 빛이나 복사가 빠져 나갈 수없는 블랙홀 주변의 경계) 안에 갇혀 있습니다.

암흑 물질의 몇 퍼센트 이상을 구성하는 PBH는 약 10 16 그램에서 10 35 그램 사이의 질량을 가질 필요가 있다고 연구를 수행 한 연구원 중 한 명인 Adam Coogan은 Phys.org에 말했습니다. 대부분의 범위에서 다양한 관찰 결과 암흑 물질의 100 %를 구성하지 못합니다. 그러나 제약 조건에는 눈에 띄는 차이가 있습니다. 소행성 주변에 질량이있는 PBH (

10 17 그램에서 10 22 그램)은 여전히 ​​모든 암흑 물질을 구성 할 수 있습니다. & # 8221

PBH의 허용 된 매개 변수 공간을 제한하거나 그로부터 방출되는 Hawking 방사선을 감지하는 방법을 식별하는 것은 PBH 암흑 물질의 관찰 또는 발견을 향한 중요한 단계가 될 수 있습니다. Coogan은 그의 동료 Logan Morrison 및 Stefano Profumo와 협력하여 PBH Hawking 방사선을 감지하는 도구로 MeV 감마선 망원경의 잠재력을 조사하기 시작했습니다.

& # 8220 우리 작업의 주된 아이디어는 소행성 질량 PBH를 찾는 특별한 방법을 생각하는 것이 었습니다. & # 8221 Coogan이 설명했습니다. Light PBH는 광자와 전자 및 pion과 같은 기타 가벼운 입자의 혼합으로 구성된 Hawking 방사선을 방출 할 것으로 예상됩니다. 망원경은 우리 은하 나 다른 은하를 관찰함으로써이 방사선을 탐색 할 수 있습니다. 우리 논문의 목표는 다가오는 망원경이이 방사선을 얼마나 잘 관찰 할 수 있는지 그리고 결과적으로 그들이 탐사 할 수있는 소행성 질량 PBH 매개 변수 공간의 양을 이해하는 것이 었습니다. & # 8221

신흥 망원경이 제한하는 데 도움이 될 수있는 PBH의 질량을 추정하는 동안 Coogan과 그의 동료들은 이전 연구가 Compton Gamma Ray Observatory에 탑재 된 NASA가 발사 한 감마선 망원경 인 COMPTEL 망원경으로 수집 한 데이터를 아직 분석하지 않았 음을 발견했습니다. (CGRO). 그러나이 데이터는 소행성-질량 간격 (즉, 1017 그램 미만)보다 약간 낮은 PBH의 풍부를 제한하는 데 도움이 될 수 있습니다. Voyager 1과 INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) 위성에 의해 수집 된 Hawking 방사선의 관찰 덕분에이 질량 범위에는 이미 제약이 존재하지만, 연구원이 도입 한 새로운 제약은 현재까지 가장 강력한 것으로 밝혀졌습니다.

& # 8220 제약을 계산하고 예측하기위한 핵심 입력은 단일 PBH에 의해 생성되는 Hawking 방사선의 스펙트럼을 계산하는 것입니다. & # 8221 Coogan이 말했습니다. 우리는 전자와 파이온에 의해 생성 된 방사선이 스펙트럼에서 설명되는 방식을 개선하여 문헌의 기존 도구와 비교하여이 계산을 개선했습니다. 나머지 계산은 암흑 물질 검색에 매우 일반적입니다. & # 8221

특정 질량의 PBH가 우주의 전체 암흑 물질의 주어진 부분을 구성한다고 가정하면 Coogan과 그의 동료가 수행 한 계산을 통해 연구원은 다음을 포함하는 것으로 여겨지는 천체 물리학 적 물체가 방출하는 광자 스펙트럼에 대한 기여도를 계산할 수 있습니다. 은하수의 중심과 같은 상당한 양의 암흑 물질. 예를 들어 이러한 계산에 의해 추정 된 스펙트럼이 관찰 된 스펙트럼보다 훨씬 더 밝다면 특정 질량의 PBH가 암흑 물질의 특정 부분을 구성 할 가능성을 배제 할 수 있습니다.

& # 8220 비교할 관측 된 스펙트럼은 없지만 미래 망원경의 성능에 대한 투영을 만드는 것은 비슷한 선을 따라 이어집니다. & # 8221 Coogan은 설명합니다. 이 경우, PBH에 의해 방출되는 광자의 스펙트럼은 예상되는 광자의 천체 물리학 적 배경에 대한 모델과 비교됩니다. & # 8221

Coogan, Morrison 및 Profumo의 최근 연구는 20 년 전에 완료된 실험의 일부로 수집 된 데이터를 사용하여 현재까지 저 질량 PBH에 대한 가장 강력한 제약 조건을 설정했습니다. 또한 연구원들은 MeV 에너지 감마선을 관측 할 수있는 망원경이 PBH 매개 변수 공간에서 조사하기 매우 어려운 부분 인 소행성 질량 PBH를 조사하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다.

천문학 계는 최근 몇 년 동안 이러한 망원경에 대한 몇 가지 제안을 고려해 왔으며 우리의 논문이 그것들을 만드는 또 다른 확고한 동기를 제공한다고 생각합니다, & # 8221 Coogan은 덧붙였습니다. PBH 외에도 우리는 다가오는 MeV 감마선 망원경이 입자 암흑 물질의 다양한 모델을 조사 할 수있는 방법을 연구 해 왔습니다. 우리는 최근 몇 가지 특정 모델에 대한 감마선 스펙트럼을 계산 한 또 다른 논문을 마쳤으며 다른 공동 작업자와 협력하여 이러한 계산을 개선하고 있습니다. & # 8221

Coogan, Morrison 및 Profumo는 최근 NASA의 연구 과학자 인 Alexander Moiseev와 공동 작업을하고 있으며, 그는 GECCO (Coded Aperture Mask Compton Telescope)를 사용하여 은하 탐험가라는 망원경을 개발하고 있습니다. Moiseev와 함께 그들은 GECCO가 암흑 물질을 찾는 데 도움을 줄 수있는 방법을 모색 해 왔습니다.

출처 : 소행성 질량 원시 블랙홀의 호킹 방사선 직접 감지. 물리적 검토 편지(2021). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.126.171101.

Sub-GeV 암흑 물질 모델에 대한 정밀 감마선 제약. arXiv : 2104.06168 [hep-ph]. arxiv.org/abs/2104.06168

(a) GECCO와 함께 암흑 물질과 새로운 물리학을 찾아보세요. arXiv : 2101.10370 [astro-ph.HE]. arxiv.org/abs/2101.10370

원시 블랙홀에서 방출되는 호킹 방사선을 감지하는 새로운 가능성


원시 블랙홀에서 방출되는 호킹 방사선을 감지하는 새로운 가능성

많은 물리학 자들이 빛을 흡수, 반사 또는 방출하지 않는 유형의 물질 인 암흑 물질의 존재를 예측했지만, 지금까지 아무도 그것을 실험적으로 관찰하거나 그 근본적인 성질을 결정할 수 없었습니다. 초기 우주에서 형성된 블랙홀 인 PBH (Light Primordial Black Hole)는 가장 유망한 암흑 물질 후보 중 하나입니다. 그러나 이러한 블랙홀의 존재는 아직 확인되지 않았습니다.

암스테르담 대학과 캘리포니아 대학 산타 크루즈의 연구원은 최근 암흑 물질로서 PBH의 허용 된 매개 변수 공간에 대한 기존 제약을 개선하기위한 연구를 수행했습니다. 그들의 논문에서 물리적 검토 편지, 그들은 또한 암흑 물질 밀도가 높은 지역에서 호킹 방사선을 직접 감지하고 잠재적으로 PBH 암흑 물질의 발견을 가능하게하는 데 사용할 수있는 가능한 방법을 제안합니다.

호킹 복사는 스티븐 호킹이 블랙홀에 의해 자발적으로 방출 될 것으로 예측 한 열 복사입니다. 이 복사는 양자 진공 변동을 한 쌍의 입자로 변환하여 발생하는 것으로 가정합니다. 하나는 블랙홀을 벗어나고 다른 하나는 이벤트 지평선 (즉, 빛이나 복사가 빠져 나갈 수없는 블랙홀 주변의 경계) 안에 갇혀 있습니다.

암흑 물질의 몇 퍼센트 이상을 구성하는 PBH는 약 10 16 그램에서 10 35 그램 사이의 질량을 가질 필요가 있다고 연구를 수행 한 연구원 중 한 명인 Adam Coogan은 Phys.org에 말했습니다. 대부분의 범위에서 다양한 관찰 결과 암흑 물질의 100 %를 구성하지 못합니다. 그러나 제약 조건에는 눈에 띄는 차이가 있습니다. 소행성 주변에 질량이있는 PBH (

10 17g ~ 10 22g)은 여전히 ​​모든 암흑 물질을 구성 할 수 있습니다. & # 8221

PBH의 허용 된 매개 변수 공간을 제한하거나 그로부터 방출되는 Hawking 방사선을 감지하는 방법을 식별하는 것은 PBH 암흑 물질의 관찰 또는 발견을 향한 중요한 단계가 될 수 있습니다. Coogan은 그의 동료 Logan Morrison 및 Stefano Profumo와 협력하여 PBH Hawking 방사선을 감지하는 도구로 MeV 감마선 망원경의 잠재력을 조사하기 시작했습니다.

& # 8220 우리 작업의 주된 아이디어는 소행성 질량 PBH를 찾는 특별한 방법을 생각하는 것이 었습니다. & # 8221 Coogan이 설명했습니다. Light PBH는 광자와 전자 및 pion과 같은 기타 가벼운 입자의 혼합으로 구성된 Hawking 방사선을 방출 할 것으로 예상됩니다. 그런 다음 망원경은 우리 은하 나 다른 은하를 관찰하여이 방사선을 검색 할 수 있습니다. 우리 논문의 목표는 다가오는 망원경이이 방사선을 얼마나 잘 관찰 할 수 있는지 그리고 결과적으로 그들이 탐사 할 수있는 소행성 질량 PBH 매개 변수 공간의 양을 이해하는 것이 었습니다. & # 8221

신흥 망원경이 제한하는 데 도움이 될 수있는 PBH의 질량을 추정하는 동안 Coogan과 그의 동료들은 이전 연구가 Compton Gamma Ray Observatory에 탑재 된 NASA가 발사 한 감마선 망원경 인 COMPTEL 망원경으로 수집 한 데이터를 아직 분석하지 않았 음을 발견했습니다. (CGRO). 그러나이 데이터는 소행성-질량 간격 (즉, 1017 그램 미만)보다 약간 낮은 PBH의 풍부를 제한하는 데 도움이 될 수 있습니다. Voyager 1과 INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) 위성에 의해 수집 된 Hawking 방사선의 관찰 덕분에이 질량 범위에는 이미 제약이 존재하지만, 연구원이 도입 한 새로운 제약은 현재까지 가장 강력한 것으로 밝혀졌습니다.

& # 8220 제약을 계산하고 예측을 만들기위한 핵심 입력은 단일 PBH에 의해 생성되는 Hawking 방사선의 스펙트럼을 계산하는 것입니다. & # 8221 Coogan이 말했습니다. 우리는 전자와 파이온에 의해 생성 된 방사선이 스펙트럼에서 설명되는 방식을 개선하여 문헌의 기존 도구와 비교하여이 계산을 개선했습니다. 나머지 계산은 암흑 물질 검색에 매우 일반적입니다. & # 8221

특정 질량의 PBH가 우주의 전체 암흑 물질의 주어진 부분을 구성한다고 가정하면 Coogan과 그의 동료가 수행 한 계산을 통해 연구원은 다음을 포함하는 것으로 여겨지는 천체 물리학 적 물체가 방출하는 광자 스펙트럼에 대한 기여도를 계산할 수 있습니다. 은하수의 중심과 같은 상당한 양의 암흑 물질. 예를 들어 이러한 계산에 의해 추정 된 스펙트럼이 관찰 된 스펙트럼보다 훨씬 더 밝다면 특정 질량의 PBH가 암흑 물질의 특정 부분을 구성 할 가능성을 배제 할 수 있습니다.

& # 8220 비교할 관측 된 스펙트럼은 없지만 미래 망원경의 성능에 대한 투영을 만드는 것은 비슷한 선을 따라 이어집니다. & # 8221 Coogan은 설명합니다. 이 경우, PBH에 의해 방출되는 광자의 스펙트럼은 예상되는 광자의 천체 물리학 적 배경에 대한 모델과 비교됩니다. & # 8221

Coogan, Morrison 및 Profumo의 최근 연구는 20 년 전에 완료된 실험의 일부로 수집 된 데이터를 사용하여 현재까지 저 질량 PBH에 대한 가장 강력한 제약 조건을 설정했습니다. 또한 연구원들은 MeV 에너지 감마선을 관측 할 수있는 망원경이 PBH 매개 변수 공간에서 조사하기 매우 어려운 부분 인 소행성 질량 PBH를 조사하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다.

천문학 계는 최근 몇 년 동안 이러한 망원경에 대한 몇 가지 제안을 고려해 왔으며 우리의 논문이 그것들을 만드는 또 다른 확고한 동기를 제공한다고 생각합니다, & # 8221 Coogan은 덧붙였습니다. PBH 외에도 우리는 다가오는 MeV 감마선 망원경이 입자 암흑 물질의 다양한 모델을 조사 할 수있는 방법을 연구 해 왔습니다. 우리는 최근 몇 가지 특정 모델에 대한 감마선 스펙트럼을 계산 한 또 다른 논문을 마쳤으며 다른 공동 작업자와 협력하여 이러한 계산을 개선하고 있습니다. & # 8221

Coogan, Morrison 및 Profumo는 최근 NASA의 연구 과학자 인 Alexander Moiseev와 공동 작업을하고 있으며, 그는 GECCO (Coded Aperture Mask Compton Telescope)를 사용하여 은하 탐험가라는 망원경을 개발하고 있습니다. Moiseev와 함께 그들은 GECCO가 암흑 물질을 찾는 데 도움을 줄 수있는 방법을 모색 해 왔습니다.

Sub-GeV 암흑 물질 모델에 대한 정밀 감마선 제약. arXiv : 2104.06168 [hep-ph]. arxiv.org/abs/2104.06168

(a) GECCO와 함께 암흑 물질과 새로운 물리학을 찾아보세요. arXiv : 2101.10370 [astro-ph.HE]. arxiv.org/abs/2101.10370

소환:
원시 블랙홀에서 방출되는 호킹 방사선을 감지하는 새로운 가능성 (2021 년 6 월 21 일)
2021 년 6 월 21 일 검색
https://phys.org/news/2021-06-possibilities-hawking-emitted-primordial-black.html에서

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호킹 방사능이 블랙홀로 되돌아가는 개념적 중단은 오해입니다. 고전적으로 "아무것도 블랙홀을 벗어날 수 없다"는 말이 맞습니다. 호킹 방사능의 비결은 블랙홀의 수평선에 형성되어 에너지를 흡수한다는 것입니다. 방사선은 블랙홀에서 빠져 나가는 것이 아니라 블랙홀에서 에너지를 훔쳐 사건 지평선 너머에서 방사선을 방출합니다. 당신이 링크 한 위키 백과 기사에서 이것을 자세히 설명합니다.

즉, 귀하의 질문은 블랙홀에서 호킹 방사선을 감지하는 방법에 관한 것입니다. 현재 기술을 감안할 때 우리는 할 수 없습니다. 천체 물리학 적 블랙홀 (거대한 블랙홀)은 우주의 마이크로파 배경 방사선이 그것을 익사시킬 정도로 낮은 에너지 방사선을 방출합니다. 이에 대한 자세한 내용은 블랙홀 열역학을 참조하십시오.

호킹 방사선을 관찰하기위한 최선의 방법은 마이크로 블랙홀을 관찰하는 것입니다. 아직 실험실에서 만들 수는 없지만 (결국 그렇게 할 수있는 기술을 갖게 될 것입니다) 우주 초기에 만들어졌고 이제 관측 가능한 방사선을 가질 수있을만큼 충분히 오래되었다고 예측하는 큰 가방 모델이 있습니다. 증발하고 있습니다. 이 예측이 정확하다면 페르미 감마선 망원경은 증발하는 마이크로 블랙홀에서 호킹 방사선을 감지 할 수 있습니다.


먼저 호킹 방사능을 생각하는 간단한 방법과이를 간접적으로 관찰하는 방법을 보여 드리겠습니다. 가속 된 프레임에 입자가있는 경우 Rindler 쐐기라고하는 것 내에 있습니다. 아래는 가속 프레임의 시공간 다이어그램입니다. 우리는 영역 I의 입자를 생각합니다.

쌍곡선은 입자 수평선 인 $ 45 $도 선에서 일정한 반경의 영역입니다. 가속도 $ g $를 사용하는 가속 프레임의 관찰자는 거리 $ rho에 관찰자가 있습니다.

c ^ 2 / g $. 가속도가 클수록 관찰자가 수평선에 가까워집니다. 두 입자가 서로 일정한 거리를 유지하려면 서로 다른 가속도를 가져야한다는 점도 흥미 롭습니다.

한 옵저버는 그를 Bob이라고 부릅니다. $ I $ 지역에서는 $ II $ 지역에서 어떤 것도 관찰 할 수 없습니다. 여기에 Alice라는 옵저버가 있거나 $ II $ 지역과 $ II $ 지역의 Alice와 통신 할 수 있습니다. Bob과 통신 할 수 없습니다.

시공간 메트릭 거리는 $ t로 매개 변수화됩니다.

rho cosh omega $ 각도 $ omega $는 매개 변수화 된 시간입니다. Minkowksi 형식의 메트릭은 $ ds ^ 2입니다.

dz ^ 2. $ 메트릭이 Lorentzian이 아니도록 이것을 유클리드 화하면 단일 시간 개발 연산자 $ U (t)를 생각할 수 있습니다.

$ I $ 지역에서 $ II $ 지역까지 exp (-iHt) $. 우리는 위 다이어그램의 원점을 둘러싼 양자 변동의 진화를 고려하기 위해 이렇게합니다. 그런 다음 $ i를 대체합니다.

1 $이고 시간은 전체 루프에 대해 평가됩니다.이를 루프의 둘레라고 생각하면 $ t가됩니다.

2 pi rho $. 그러면 연산자 $ U ( omega)가 있습니다.

Alice와 Bob은 수평선에서 나온 후 다시 접근하는 입자로서 원점을 둘러싸는 루프와 같은 양자 변동을 측정합니다. 입자는 과거 지평선에서 천천히 나온 다음 천천히 미래 지평선에 접근합니다. $ I $ 지역의 Bob은 적색 편이 및 시간 확장 형태로만 관찰 할 수 있습니다. $ II $ 지역의 앨리스도 마찬가지입니다. 이 가상 루프의 경우 Bob과 Alice가 $ phi (b, b ') $ 및 $ chi (a, a') $ 상태를 목격하는 것으로 생각할 수 있지만 밀도 행렬과 함께 얽힌 상태 $ psi $를 형성합니다. $ rho_

chi ^ * (a, a ') phi ^ * (b, b') phi (b, b ') chi (a, a'), $ 여기서 Alice와 Bob은 추적하여 찾을 수있는 것을 관찰합니다. Bob과 Alice의 상태 변수 $ b, b '$ 및 $ a, a'$.

시간 진화 연산자는 열 또는 볼츠만 연산자가되었습니다. 온도는 $ beta입니다.

frac <1> <2 pi rho k_B>. $ 이것은 Unruh 효과이며 기본 용어로 설명됩니다. Rindler 웨지는 곡률이 없습니다. 블랙홀은 물론 곡률을 가지고 있으며, 리만 곡률은 리치 곡률이 0이고 소스가없는 영역에 대한 모든 Weyl 곡률입니다. 그러나 Unruh 효과를 블랙홀 케이스에 "매핑"할 수 있습니다. 이것은 Unruh 사례를 가속 된 프레임에서 수평선에 가까운 관찰자의 사례로 간주하여 수행됩니다. 큰 $ rho $에 대해 방출되는 Hawking 방사선은 시공간 곡률로 인해 지속되며 $ omega를 대체하여 실현할 수 있습니다.

tc ^ 3 / 4GM $는 블랙홀의 온도를 나타냅니다. $ T

frac < hbar c ^ 3> <8 pi k_B GM>. $ 이것은 Hawking 방사선을 생각하는 빠른 방법입니다.

이제 이것을 사용하여 가능한 경험적 사례를 고려할 수 있습니다. 가장 가능성있는 경험적 증거는 Unruh 방사선에서 나올 것입니다. 저는 2006 년에 GRF 에세이 콘테스트에서 이것이 어떻게 수행 될 수 있는지에 대한 명예로운 언급을받은 논문을 썼습니다. 아이디어는 Rb 이온의 Bose-Einstein 응축 물 (BEC)을 만든 다음이를 큰 전기장을 가진 커패시터를 통과시키는 것입니다. 가속은 이온 경로를 감지하여 측정되는 BEC에 위상 변화를 유도합니다. 불행히도이 실험은 제 생각에 수행되지 않았습니다. 제가 생각하기에 "시끄러운"다른 아이디어는 다양한 고 에너지 산란 과정을 살펴 보는 것입니다.

Hawking 방사선을 직접 측정하는 것은 어려울 수 있습니다. 우리는 분명히 양자 블랙홀을 생성하지 않을 것입니다. 적어도 조만간은 아닙니다. 빅뱅에서 원시 마이크로 블랙홀이 나타 났을 수 있습니다. 그러나 인플레이션 중 공간의 기하 급수적 인 확장은이를 억제하는 경향이 있습니다. 초기 우주에서 원시 블랙홀이 생성 되었다면 재가열을 생성하기 위해 인플레이션 기간 이전이거나 진공 전환 이후 일 수 있습니다. 후자의 경우 훨씬 덜 조밀 한 환경에서 발생합니다. 그러나 변동으로 인해 이들 중 일부가 생성되었을 수 있습니다.

Hawking-Unruh 방사선을 관찰하지 못하면 문제가됩니다. Unruh 방사선을 관찰하지 못하면 불행한 일입니다. 호킹 방사선을 직접 관찰하지 못하면 초기 우주의 조건이 원시 블랙홀 생성을 배제 할 수 있습니다.

Unruh 방사선이 어떤 방법으로 감지되지 않으면 현재의 물리학 이해에 심각한 문제가 있음을 나타냅니다. 물리학은 가속 프레임과 양자 얽힘의 시공간입니다. 이를 감지하지 못한다는 것은이 둘이 서로를 고려하는 방식에 결함이 있음을 의미합니다. 우리가 알지 못하는 추가 물리학이있을 수 있습니다. 다른 대안은 상대성 이론이나 양자 역학에 근본적으로 문제가 있다는 것입니다. 이것은 매우 혼란스러운 발전이 될 것입니다.


스티븐 호킹이 실제로 블랙홀에 대해 어떻게 생각하고 있는지 알아낼 수 있을까요?

명석 물리학 자이자 스티븐 호킹 교수가이 필멸의 코일을 떠났지만, 그의 유산은 죽지 않을 것이며 다른 누구도 감히 묻지 않은 우주론적인 질문도 마찬가지입니다.

블랙홀은 호킹이 집착했던 현상 중 하나입니다. 그의 이론화에서 발생한 블랙홀 정보 역설은 블랙홀은 우주에서 탈출 할 수없는 절망적 인 파멸의 구덩이가 아니라 실제로 수십억 년 동안 존재하면서 그것을 "방사"할 때 실제로 무한한 양의 질량을 잃는다 고 주장합니다. . 그 방사능은 블랙홀에서 살아남을 수있는 빛이 없다는 생각을 반증하는 희미한 빛을 주기도합니다. 마더 보드는 Hawking의 다른 이론과 마찬가지로 Hawking 방사선이 존재하는 것으로 입증되면 양자 역학과 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 재정의 할 수 있다고 믿습니다.

스티븐 호킹

양자 역학은 우주의 어떠한 물리적 정보도 영구적으로 소멸 될 수 없다고 주장합니다. 따라서 어떤 형태가 변하더라도 입자 배열의 특성은 결코 사라지지 않을 것입니다. 이것은 블랙홀이 (중력에 의해 굴복 한 모든 원자로부터) 내부에 포함 된 모든 정보를 잃어 버리는 블랙홀의 개념에 직접적으로 반대됩니다. 정보 역설을 입력하십시오. 그 정보가 어디로 가는지에 대한 질문은이 역설에 대한 몇 가지 이론적 해결책을 열었습니다.

블랙홀이 해체됨에 따라 정보는 우주에서 영원히 삭제 될 수 있습니다. 그것은 또한 어딘가에 숨겨져 있으며, 증발 한 후 블랙홀의 잔해에 숨어 있거나 접근 할 수없는 자신의 마이크로 우주로 분리되는 블랙홀의 일부에 숨어 있습니다.

마지막 가능성은 정보가 매우 특이한 방식으로 그대로 유지된다는 것입니다. 일부 사람들은 블랙홀의 표면적이 새로운 정보를 삼킬 때마다 확장한다고 생각합니다. 블랙홀에서 방출되는 호킹 방사선은 그 정보를 인코딩 할 수있는 기회를 갖게되고이를 광대 한 미지의 세계로 전달할 수 있습니다.

더 이상해집니다. Hawking managed to do the impossible by linking the clashing concepts of quantum mechanics, which examines the atoms and particles that make up the universe, and general relativity, which looks at how the largest objects in the universe bend space and time. He theorized what could be happening around something as massive as a black hole on a mind-bendingly small scale.

“It is important to note that Hawking radiation from black holes has not been experimentally detected yet,” physicists Sreenath Kizhakkumpurath and Andrew N. Jordan told Motherboard, “but a similar mathematical approach to what Prof. Stephen Hawking took in his seminal paper can be applied to a variety of physical systems such as accelerating mirrors, and these analogies give us evidence that the kind of particle production does indeed occur the way Prof. Hawking has predicted.”

The fact that no human can get close enough to a black hole to observe Hawking radiation without being shredded is also the worst reason ever to deny Hawking a Nobel prize. He would have been eligible if he had been somehow able to survive an event horizon spacewalk and provide proof that Hawking radiation exists.


Hawking Radiation

First, why did you ask the question if you just wanted to argue about the answer.

Second, this is not a black hole. Read what you posted - this is an analog of a black hole.

First, why did you ask the question if you just wanted to argue about the answer.

Second, this is not a black hole. Read what you posted - this is an analog of a black hole.

You could say it is Hawking radiation in the sense that you could have 'real' Hershey bars cranked out of a fake machine. They look and taste the same as those coming from the Hershey company.

If the researchers have produced radiation with the/a predicted signature, and by the production of virtual photons (this is a big claim, incidentally) then half of the conceptual framework of Hawking radiation is established.

The 'analogue' part of the thing is that intense gravitational fields cannot be generated in labs. So they use other fields: electric and magnetic fields, and try to use these in a way (hopefully an analogous way) to generate these 'virtual' photons.

That's the fake part of this 'Hawking' radiation. Genuine Hershey bars come out of the Hershey bar company, and imposters will be sued. If (If!) Hawking radiation is real, Black-holes own the patents and the process. That is why there are many skeptics in the article:

Hawking radiation = Hawking radiation + black holes. So they have not produced Hawking radiation. But they claim they have shown that the actual output that a BH supposedly produces can actually exist, so it gives interest in furthering the search for it by looking at Black Holes themselves.

You could say it is Hawking radiation in the sense that you could have 'real' Hershey bars cranked out of a fake machine. They look and taste the same as those coming from the Hershey company.

If the researchers have produced radiation with the/a predicted signature, and by the production of virtual photons (this is a big claim, incidentally) then half of the conceptual framework of Hawking radiation is established.

The 'analogue' part of the thing is that intense gravitational fields cannot be generated in labs. So they use other fields: electric and magnetic fields, and try to use these in a way (hopefully an analogous way) to generate these 'virtual' photons.

That's the fake part of this 'Hawking' radiation. Genuine Hershey bars come out of the Hershey bar company, and imposters will be sued. If (If!) Hawking radiation is real, Black-holes own the patents and the process. That is why there are many skeptics in the article:

Hawking radiation = Hawking radiation + black holes. So they have not produced Hawking radiation. But they claim they have shown that the actual output that a BH supposedly produces can actually exist, so it gives interest in furthering the search for it by looking at Black Holes themselves.


Hawking(ish) Radiation Observed

In 1974, Steven Hawking proposed a seemingly ridiculous hypothesis. Black holes, the gravitational monsters from which nothing escapes, evaporate. To justify this, he proposed that pairs of virtual particles in which one strayed too close to the event horizon, could be split, causing one particle to escape and become an actual particle that could escape. This carrying off of mass would take energy and mass away from the black hole and deplete it. Due to the difficulty of observing astronomical black holes, this emission has gone undetected. But recently, a team of Italian physicists, led by Francesco Belgiorno, claims to have observed Hawking radiation in the lab. Well, sort of. It depends on your definition.

The experiment worked by sending powerful laser pulses through a block of ultra-pure glass. The intensity of the laser would change the optical properties of the glass increasing the refractive index to the point that light could not pass. In essence, this created an artificial event horizon. But instead of being a black hole which particles could pass but never return, this created a “white hole” in which particles could never pass in the first place. If a virtual pair were created near this barrier, one member could be trapped on one side while the other member could escape and be detected creating a situation analogous to that predicted by Hawking radiation.

Readers with some background in quantum physics may be scratching their heads at this point. The experiment uses a barrier to impede the photons, but quantum tunneling has demonstrated that there’s no such thing as a perfect barrier. Some photons should tunnel through. To avoid detecting these photons, the team simply moved the detector. While some photons will undoubtedly tunnel through, they would continue on the same path with which they were set. The detector was moved 90º to avoid detecting such photons.

The change in position also helped to minimize other sources of false detections such as scattering. At 90º, scattering only occurs for vertically polarized light and the experiment used horizontally polarized light. As a check to make sure none of the light became mispolarized, the team checked to ensure no photons of the emitted wavelength were observed. The team also had to guard against false detections from absorption and re-emission from the molecules in the glass (fluorescence). This was achieved through experimentation to gain an understanding of how much of this to expect so the effects could be subtracted out. Additionally, the group chose a wavelength in which fluorescence was minimized.

After all the removal of sources of error for which the team could account, they still reported a strong signal which they interpreted as coming from separated virtual particles and call a detection of Hawking radiation. Other scientists disagree in the definition. While they do not question the interpretation, others note that Hawking radiation, by definition, only occurs at gravitational event horizons. While this detection is interesting, it does not help to shed light on the more interesting effects that come with such gravitational event horizons such as quantum gravity or the paradox provided by the Trans-Planckian problem. In other words, while this may help to establish that virtual particles like this exist, it says nothing of whether or not they could truly escape from near a black hole, which is a requirement for “true” Hawking radiation.

Meanwhile, other teams continue to explore similar effects with other artificial barriers and event horizons to explore the effects of these virtual particles. Similar effects have been reported in other such systems including ones with water waves to form the barrier.


How does hawking radiation exist?

so hawking radiation is when the virtual particles in the vacuum appear close to a black hole and the anti particle gets sucked in and the normal particle escapes leading to a net escape of mass from the black hole

on the other hand the opposite is just as likely to happen where the normal particle gets sucked in and the anti particle escapes leading to a net increase in mass of the blackhole

as the prob of either event happening is equal, they should cancel each other out leading to no effect of virtual particles on blackholes

(i only have a laymans understanding so i may have made a very silly mistake)

There are no virtual particles involved in Hawking radiation. This is purely a popular science myth. Virtual particles are tools in some calculations. They are as real as the number 3.

For all black holes we know Hawking radiation is exclusively massless particles by the way - photons and probably gravitons. These don't have antiparticles (or they are their own antiparticles if you prefer that view).

I do wonder what a better pop-sci/scicom explanation would be. The virtual particle things is misleading, but my understanding is the actual mechanism comes out of doing QFT in strongly curved spacetime and that's hardly an easy thing to convey to the general public. You could handwave it and just say that black holes have to radiate because of thermodynamics, but that doesn't feel satisfying.

For all black holes we know Hawking radiation is exclusively massless particles by the way - photons and probably gravitons.

As I understand it, in Hawking's original paper, he did calculations for photons, gravitons, and neutrinos (which were believed to be massless at the time). However, he noted that other particles can be produced in principle, though their production rates are highly suppressed unless the black hole's temperature corresponds to the thermal radiation having an amount of energy on the order of the particle's mass.

So, this means that only black holes which are quite hot can realistically produce other massive particles (neutrinos notwithstanding), and since black hole temperature is inversely proportional to their masses, this means only extremely tiny, microscopic black holes will produce any massive particles . and of course those evaporate extremely quickly as well.

Still, since neutrinos are (almost certainly) not massless yet have an extremely low mass, those at least should still be produced in significant amounts by most black holes. And of course it remains to be seen whether neutrinos are their own antiparticle or not. :p


답변 및 답변

My second question is, does the energy disappear? Say an anti proton falls into the black hole, and a proton escapes the event horizon. The black hole then parcels out some ammount of energy equivalent to the combined mass of both the particle and the anti particle, and that energy disseapears from the black hole, such that, not only has the gain in energy from the anti proton falling in been negated, but also an ammount of energy has been lost equivalent to the proton being "emited". But where does that energy go?

I suspect there's something crucial missing in my understanding of the instantaneous creation and anihalation of particle anti particle pairs. Any help?

I agree - this is something I also never understood about Hawking radiation. The simplistic description in terms of particle-anti-particle pair creation would seem to imply that the in-falling particle has "negative mass-energy" (otherwise the Black Hole would gain mass instead of losing mass).

In fact, Hawking himself describes it in just this way in Chapter 7 of his book A Brief History of Time :

I suspect the error is in the simplistic interpretation in terms of particle-anti-particle pair creation.



코멘트:

  1. Leman

    당신의 아름다운 문구없이 우리가 할 일

  2. Yera

    나는 당신이 옳지 않다고 생각합니다. 나는 보장된다. 오후에 저에게 편지를 보내십시오. 우리는 이야기 할 것입니다.

  3. Astolpho

    Also that we would do without your remarkable idea

  4. Dyre

    이것은 나에게 필요한 것이 아닙니다. 다른 변형이 있습니까?

  5. Tojalkis

    나는 즐거움으로 그것을 받아들입니다. 제 생각에는 이것은 흥미로운 질문입니다. 토론에 참여할 것입니다. 함께 우리는 정답에 올 수 있습니다. 확실해.



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