“霍金輻射”可能正在消除黑洞。觀察它的發生會揭示新的物理學

原始黑洞可能在整個宇宙中爆炸。一項研究表明，如果我們能在行動中抓住它們，它可能爲新物理學鋪平道路。

原始黑洞（PBHs）被認爲是在大爆炸之後形成的，可能正在整個宇宙中升溫並爆炸。

物理學家在一項新的研究中表示，這些由霍金輻射驅動的黑洞爆炸可能會被即將到來的望遠鏡探測到。霍金輻射是一種量子過程，黑洞由於其強烈的引力場而從真空中產生粒子。一旦被發現，這些奇異的爆炸可能會揭示我們的宇宙是否含有以前未被發現的粒子。

時間之初的黑洞

已經有大量證據表明黑洞的存在，黑洞的質量從太陽的幾倍到太陽質量的數十億倍不等。這些黑洞是通過它們在合併過程中發射的引力波直接探測到的，引力波幫助它們成長。一些黑洞，如銀河系的人馬座A*，甚至被視界望遠鏡直接成像爲“陰影”。

據美國國家航空航天局（NASA）稱，PBH最早是由雅科夫·澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）和伊戈爾·諾維科夫（Igor Novikov）在1967年提出的，被認爲是在大爆炸後的一秒內形成的，可能和亞原子粒子一樣小。與大質量恆星和星系坍縮形成的大質量黑洞不同，PBH可能是由早期宇宙中極熱的粒子“原始湯”中超密集區域的坍縮產生的。

如果它們存在，這些緻密的物體可以爲暗物質提供一個自然的解釋，暗物質是一種不可見的實體，佔宇宙物質的85%。然而，PBH仍然難以捉摸。它們在理論上的存在得到了一系列宇宙模型的支持，但它們還沒有被直接觀察到。

霍金輻射效應

PBH最有趣的一個方面是它們與霍金輻射的聯繫。根據量子理論，黑洞並不是完全“黑”的；它們可以釋放輻射，並通過斯蒂芬·霍金首先提出的理論慢慢失去質量。這種被稱爲霍金輻射的輻射，發生在虛擬粒子對在黑洞邊緣（即“視界”）附近的真空空間中進出時。雖然這些粒子對通常會相互湮滅，但如果一個粒子落入黑洞，另一個粒子就會以輻射的形式逃逸。隨着時間的推移，這導致黑洞逐漸蒸發。

葡萄牙科英布拉大學的理論物理學家、該研究的合著者馬爾科·卡爾紮在一封電子郵件中指出：“對於質量比太陽大幾倍的黑洞，霍金輻射幾乎無法檢測到。但較輕的黑洞，如PBH，會更熱，發出更多的輻射，這可能使我們能夠探測到這一過程。這種輻射可以包括各種粒子，從光子到電子再到中微子。”

當PBH蒸發時，它會失去質量，變得更熱，並在反饋迴路中釋放更多的輻射。最終，黑洞會在強烈的輻射中爆炸 —— 現有的伽馬射線和中微子望遠鏡正在積極尋找這一過程。雖然目前還沒有發現明確的PBH爆炸，但新的研究表明，這些罕見的事件可能是解開新物理學的關鍵。

探索PBH的最後時刻

在他們最近發表在《高能物理雜誌》上的研究中，卡爾扎和研究合著者若昂·G.羅莎（也是科英布拉大學的理論物理學家）介紹了在蒸發的最後階段研究PBH的創新方法。通過分析霍金輻射的特性，兩人開發了估算PBH質量和自旋的工具。

“跟蹤PBH蒸發時的質量和旋轉可以爲其形成和演化提供有價值的線索，”羅莎在一封電子郵件中表示。

他們的工作對基礎物理學具有重要意義。在之前的一項研究中，羅莎、卡爾扎和牛津大學的合作者約翰·馬奇-羅素探索了弦理論 —— 一種在單一量子理論中統一自然基本力的嘗試 —— 如何影響蒸發的PBH。弦理論預測存在許多被稱爲軸子的低質量粒子，它們沒有固有的自旋。他們的研究表明，軸子發射實際上可以使PBH旋轉，這與霍金的預測相反。

“旋轉的PBH將爲這些奇異軸子提供令人信服的證據，有可能徹底改變我們對粒子物理學的理解，”卡爾扎說。

此外，該研究表明，分析PBH在最後時刻的質量和自旋的演變可能會揭示其他新粒子的存在。通過追蹤霍金輻射的光譜，科學家們可能能夠區分高能粒子物理模型。中微子望遠鏡，如冰立方，甚至可以幫助發現PBH在太空爆炸時的新粒子。

羅莎說：“如果我們能捕捉到一個PBH爆炸並測量它的霍金輻射，我們就能瞭解到大量關於新粒子的信息，並有可能指導未來粒子加速器的設計。”

雖然目前還沒有發現爆炸的PBH，但羅莎和卡爾扎團隊開發的工具和方法可以爲未來的發現鋪平道路。研究人員強調，專門的實驗可能沒有必要，因爲一些具有前所未有靈敏度的新型伽馬射線和中微子望遠鏡已經在開發中。

“如果它在附近爆炸，即將到來的望遠鏡可以很容易地發現它。如果我們足夠幸運地探測到PBH爆炸，它可能會改變我們對自然基本定律的一切瞭解，”羅莎說。

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