黑洞“碎片”最终可以证明斯蒂芬·霍金著名的理论是正确的

史蒂芬·霍金认为没有什么是永远存在的，包括黑洞。科学家们最终可能有办法证明这一点。

史蒂芬·霍金留给人类最深刻的信息之一是，没有什么是永恒的——科学家们终于可以准备好证明这一点了。

这个想法可以说是霍金最重要的工作所传达的：黑洞“泄漏”热辐射的假设，在这个过程中蒸发并以最终爆炸结束它们的存在。这种辐射最终被称为“霍金辐射”，以这位伟大科学家的名字命名。然而直到今天，这个概念仍然未被发现并且纯粹是假设的。但现在，一些科学家认为他们可能找到了最终改变这种状况的方法；也许我们很快就会踏上巩固霍金辐射事实的道路。  

研究小组认为，当较大的黑洞发生灾难性的碰撞和合并时，微小而炽热的“少量”黑洞可能会被发射到太空中——这可能是关键。

重要的是，霍金曾说过，黑洞越小，泄漏霍金辐射的速度就越快。因此，理论上，质量是太阳数百万或数十亿倍的超大质量黑洞完全“泄漏”所需的时间将比宇宙的预测寿命更长。换句话说，我们如何检测如此巨大的长期泄漏？好吧，也许我们不能——但当谈到这些小行星质量的黑洞碎片时，在意大利语中被称为“Bocconcini di Buchi Neri”，我们可能很幸运。 

像这样的微小黑洞可能会在人类确实可以观察到的时间尺度上蒸发和爆炸。此外，研究小组表示，这些黑洞生命周期的结束应该以一个特征信号为标志，该信号通过霍金辐射的泄漏表明它们的紧缩和死亡。

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“霍金预测黑洞会通过发射粒子而蒸发，”该提议背后的科学家、南丹麦大学的理论物理学家 Francesco Sannino 告诉 Space.com。 “我们开始研究这一点以及许多黑洞碎片（或‘Bocconcini di Buchi Neri’）产生的观测影响，我们想象这些黑洞碎片是在灾难性事件（例如两个天体物理黑洞合并）中形成的。”

少量黑洞无法保持冷静

霍金辐射的起源可以追溯到史蒂芬·霍金 1974 年写的一封名为“黑洞爆炸？”的信。发表在《自然》杂志上。当霍金考虑量子物理学对黑洞形式主义的影响时，这封信出现了，黑洞的现象源于阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。这很有趣，因为量子理论和广义相对论是众所周知的抵制统一的两种理论，即使在今天也是如此。

霍金辐射50年来一直令人不安且未被检测到，原因有两个：首先，大多数黑洞可能根本不发射这种热辐射，其次，即使发射，也可能无法被检测到。 另外，一般来说，黑洞一开始就是非常奇怪的物体，因此研究起来很复杂。

“令人费解的是，黑洞的温度与其质量成反比。这意味着它们的质量越大，它们就越冷，而它们的质量越小，它们就越热，”桑尼诺说。

即使在最空旷的太空区域，您也会发现温度约为负 454 华氏度（负 270 摄氏度）。这是因为大爆炸后留下了均匀的辐射场，称为“宇宙微波背景”或“CMB”。这个区域通常也被称为“宇宙化石”，因为它非常古老。此外，根据热力学第二定律，热量应该无法从较冷的物体流向较热的物体。 

“比几个太阳质量重的黑洞是稳定的，因为它们比宇宙微波背景更冷，”桑尼诺说。 “因此，只有较小的黑洞才会发出可能被观测到的霍金辐射。”

法国国家科学研究中心的研究作者贾科莫·卡恰帕利亚（Giacomo Cacciapaglia）告诉Space.com，由于当今宇宙中的绝大多数黑洞都具有天体物理起源，其质量超过太阳的几倍，因此它们无法发射可观测到的霍金辐射。 

“只有比月球轻的黑洞才能发射霍金辐射。我们认为这种类型的黑洞可能在黑洞合并过程中产生并喷射出来，并在产生后立即开始辐射，”卡恰帕利亚补充道。 “黑洞合并附近会大量产生黑洞碎片。”

然而，这些黑洞太小，无法产生使它们能够直接成像的效果，就像事件视界望远镜通过聚焦于它们周围的发光物质来对超大质量黑洞所做的那样。

研究小组认为，有一个独特的特征可以用来表明这些黑洞的存在。这将以一种强大的高能辐射爆发的形式出现，称为伽马射线暴，发生在检测到黑洞合并的天空同一区域。

研究人员表示，这些博科西尼·迪·布奇·内里黑洞在失去质量时会越来越快地辐射霍金辐射，从而加速它们的爆炸性消亡。那些质量约为 20,000 吨的黑洞估计需要 16 年才能蒸发，而质量至少为 100,000 千吨的小黑洞的例子可能会持续长达数百年。

这些碎片的蒸发和破坏将产生超过万亿电子伏（TeV）能量范围的光子。为了了解其能量有多大，桑尼诺说，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC) 是地球上最大的粒子加速器，它与质子正面碰撞，总能量为 13.6 TeV。

然而，研究人员确实知道如何在这些黑洞蒸发时对其进行探测。首先，黑洞合并可以通过引力波的发射来检测，引力波是爱因斯坦预测的时空中的微小涟漪，在物体碰撞时发射。

天文学家随后可以利用伽马射线望远镜追踪这些合并，例如高空水切伦科夫伽马射线天文台，它可以发现能量在 100 吉电子伏特 (GeV) 到 100 TeV 之间的光子。

该团队承认，在确认少量黑洞的存在之前，还有很长的路要走，因此，在我们彻底验证霍金辐射之前，还有很长的路要走。

“由于这是一个新想法，还有很多工作要做。我们计划更好地模拟 TeV 尺度以上高能的霍金辐射发射，在这种情况下，我们对粒子物理学的了解变得不太确定，这将涉及实验合作在他们的数据集中寻找这些独特的签名，”Cacciapaglia 总结道。 “在更长的时间内，我们计划详细调查黑洞合并等灾难性天体物理事件期间碎片的产生。”

该团队的研究成果可作为预印本论文发布在存储库 arXiv 上。

最初发布于Space.com。