Em 1974, Stephen Hawking afirmou a famosa afirmação de que os buracos negros deveriam emitir partículas e também absorvê-las. Esta chamada "radiação Hawking" ainda não foi observada, mas agora um grupo de pesquisa da Europa descobriu que a radiação Hawking deveria ser observável pelos telescópios existentes que são capazes de detectar partículas de luz de energia muito alta.



Quando dois buracos negros massivos colidem e se fundem, ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro o fazem, eles emitem ondas gravitacionais, ondulações na estrutura do espaço-tempo que viajam para fora. Algumas dessas ondas atingem a Terra milhões ou bilhões de anos depois. Estas ondas foram previstas por Einstein em 1916 e observadas diretamente pela primeira vez pelos detectores LIGO em 2016. Desde então, dezenas de ondas gravitacionais provenientes de fusões de buracos negros foram detectadas.

Essas fusões também emitem uma série de "pedaços de buraco negro", buracos negros menores com massas da ordem de um asteróide, criados no campo gravitacional extremamente forte resultante em torno da fusão devido aos chamados efeitos "não lineares" de alta velocidade em geral. relatividade. Essas não linearidades surgem devido às soluções inerentemente complexas das equações de Einstein, à medida que o espaço-tempo distorcido e as massas se retroalimentam e ambos respondem e criam novos espaço-tempo e massas.

Esta complexidade também gera explosões de raios gama de fótons extremamente energéticos. Essas rajadas possuem características semelhantes, com um atraso de fusão da ordem do seu tempo de evaporação. Um pedaço de massa de 20 quilotons tem uma vida útil de evaporação de 16 anos, mas esse número pode mudar drasticamente, uma vez que o tempo de evaporação é proporcional à massa do pedaço ao cubo.

Pedaços mais pesados ​​fornecerão inicialmente um sinal constante de explosão de raios gama, caracterizado por energias de partículas reduzidas, proporcionais à temperatura de Hawking. A temperatura de Hawking é inversamente proporcional à massa de um buraco negro.

A equipa de investigação mostrou, através de cálculos numéricos usando um código público de código aberto chamado BlackHawk, que calcula os espectros de evaporação de Hawking para qualquer distribuição de buracos negros, que a radiação Hawking dos pedaços do buraco negro cria explosões de raios gama que têm uma impressão digital distinta. O trabalho está publicado no arXiv servidor de pré-impressão.

A detecção de tais eventos, que possuem múltiplos sinais – ondas gravitacionais, radiação eletromagnética, emissões de neutrinos – é chamada de astronomia multimensageira na comunidade astrofísica e faz parte dos programas de observação dos detectores de ondas gravitacionais LIGO nos EUA, VIRGO na Itália e, em Japão, o telescópio de ondas gravitacionais KAGRA.

Os sinais visíveis da evaporação do buraco negro sempre incluem fótons acima da faixa TeV (um trilhão de elétron-volts, cerca de 0,2 microjoules; por exemplo, o Grande Colisor de Hádrons do CERN na Europa, o maior acelerador de partículas do planeta, colide prótons frontalmente com um total energia de 13,6 TeV). Isto proporciona uma “oportunidade de ouro”, escreve o grupo, para os chamados telescópios Cherenkov atmosféricos de alta energia detectarem esta radiação Hawking.

Esses telescópios Cherenkov são antenas terrestres que podem detectar fótons muito energéticos (raios gama) na faixa de energia de 50 GeV (bilhões de elétron-volts) a 50 TeV. Essas antenas conseguem isso detectando flashes de radiação Cherenkov que são produzidos à medida que os raios gama caem em cascata pela atmosfera da Terra, viajando mais rápido do que a velocidade normal das ondas de luz no ar.

Lembre-se de que a luz viaja um pouco mais devagar no ar do que no vácuo, porque o ar tem um índice de refração ligeiramente maior que um. A radiação de raios gama Hawking que desce em cascata pela atmosfera excede esse valor mais lento, criando a radiação Cerenkov (também chamada de radiação de frenagem – Bremsstrahlung em alemão). A luz azul vista em poças de água que circundam as hastes de reação em um reator nuclear é um exemplo da radiação Cerenkov.

Existem agora quatro telescópios que podem detectar essas cascatas de radiação Cerenkov - o Sistema Estereoscópico de Alta Energia (HESS) na Namíbia, os Telescópios Cherenkov de Imagem Gama Atmosférica Principal (MAGIC) em uma das Ilhas Canárias, o Primeiro Telescópio Cherenkov G-APD ( FACT), também na Ilha de La Palma, no arquipélago das Canárias, e Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) no Arizona. Embora cada um use tecnologia diferente, todos eles podem detectar fótons de Cerenkov na faixa de energia GeV-TeV.

A detecção de tal radiação Hawking também lançaria luz (ahem…) sobre a produção de pedaços de buracos negros, bem como a produção de partículas em energias mais altas do que as que podem ser alcançadas na Terra, e pode trazer sinais de uma nova física, como supersimetria, dimensões extras ou a existência de partículas compostas baseadas na força forte.

"Foi uma surpresa descobrir que pedaços de buracos negros podem irradiar acima das capacidades de detecção dos actuais telescópios Cherenkov de alta energia na Terra," disse Giacomo Cacciapaglia, autor principal da Université Lyon Claude Bernard 1 em Lyon, França. Observando que a detecção direta da radiação Hawking em pedaços de buracos negros seria a primeira evidência do comportamento quântico dos buracos negros, ele disse que "se o sinal proposto for observado, teremos que questionar o conhecimento atual sobre a natureza dos buracos negros" e produção de pedacinhos.

Cacciapaglia disse que planeja entrar em contato com colegas de grupos experimentais e, em seguida, usar os dados coletados para pesquisar a radiação Hawking que propõem.