Quando due buchi neri massicci si scontrano e si fondono, o una stella di neutroni e un buco nero lo fanno, emettono onde gravitazionali, ondulazioni nel tessuto dello spaziotempo che viaggiano verso l’esterno. Alcune di queste onde si riversano sulla Terra milioni o miliardi di anni dopo. Queste onde furono previste da Einstein nel 1916 e osservate direttamente per la prima volta dai rilevatori LIGO nel 2016. Da allora sono state rilevate dozzine di onde gravitazionali derivanti dalle fusioni di buchi neri.

Queste fusioni emettono anche una serie di "bocconi di buco nero", buchi neri più piccoli con masse dell'ordine di un asteroide, creati nel campo gravitazionale estremamente forte risultante attorno alla fusione a causa dei cosiddetti effetti "non lineari" ad alta velocità in generale. relatività. Queste non linearità derivano dalle soluzioni intrinsecamente complesse delle equazioni di Einstein, poiché lo spaziotempo deformato e le masse si retroagiscono l'uno con l'altro ed entrambi rispondono e creano nuovo spaziotempo e masse.

Questa complessità genera anche lampi di raggi gamma di fotoni estremamente energetici. Questi burst hanno caratteristiche simili, con un ritardo temporale dalla fusione dell'ordine del loro tempo di evaporazione. Una massa di 20 kilotoni ha una durata di evaporazione di 16 anni, ma questo numero può cambiare drasticamente poiché il tempo di evaporazione è proporzionale alla massa di boccone al cubo.

I bocconi più pesanti forniranno inizialmente un segnale costante di burst di raggi gamma, caratterizzato da energie delle particelle ridotte, proporzionali alla temperatura di Hawking. La temperatura di Hawking è inversamente proporzionale alla massa di un buco nero.

Il gruppo di ricerca ha dimostrato, attraverso calcoli numerici utilizzando un codice pubblico open source chiamato BlackHawk che calcola gli spettri di evaporazione di Hawking per qualsiasi distribuzione di buchi neri, che la radiazione di Hawking proveniente dai frammenti del buco nero crea lampi di raggi gamma che hanno un’impronta digitale distintiva. Il lavoro è pubblicato su arXiv server di prestampa.

La rilevazione di tali eventi, che hanno segnali multipli – onde gravitazionali, radiazione elettromagnetica, emissioni di neutrini – è chiamata astronomia multimessenger nella comunità astrofisica, e fa parte dei programmi di osservazione presso i rilevatori di onde gravitazionali LIGO negli Stati Uniti, VIRGO in Italia e, in Giappone, il telescopio per onde gravitazionali KAGRA.

I segnali visibili dell'evaporazione del buco nero includono sempre fotoni al di sopra della gamma dei TeV (un trilione di elettronvolt, circa 0,2 microjoule; ad esempio, il Large Hadron Collider del CERN in Europa, il più grande acceleratore di particelle del pianeta, fa scontrare protoni frontalmente con una quantità totale di energia di 13,6 TeV). Ciò fornisce una "occasione d'oro", scrive il gruppo, per i cosiddetti telescopi Cherenkov atmosferici ad alta energia per rilevare questa radiazione Hawking.

Questi telescopi Cherenkov sono parabole per antenne terrestri in grado di rilevare fotoni molto energetici (raggi gamma) nell'intervallo di energia compreso tra 50 GeV (miliardi di elettronvolt) e 50 TeV. Queste antenne riescono a farlo rilevando i lampi di radiazioni Cherenkov prodotti quando i raggi gamma si riversano attraverso l'atmosfera terrestre, viaggiando più velocemente della normale velocità delle onde della luce nell'aria.

Ricordiamo che la luce viaggia leggermente più lentamente nell'aria che nel vuoto, perché l'aria ha un indice di rifrazione leggermente maggiore di uno. La radiazione di raggi gamma Hawking che scende attraverso l'atmosfera supera questo valore più lento, creando la radiazione Cerenkov (chiamata anche radiazione frenante – Bremsstrahlung in tedesco). La luce blu vista nelle pozze d'acqua che circondano le barre di reazione in un reattore nucleare è un esempio di radiazione Cerenkov.

Ora ci sono quattro telescopi in grado di rilevare queste cascate di radiazione Cerenkov:il sistema stereoscopico ad alta energia (HESS) in Namibia, i principali telescopi Cherenkov per immagini gamma atmosferiche (MAGIC) su una delle Isole Canarie, il primo telescopio Cherenkov G-APD ( FACT), sempre sull’isola di La Palma nell’arcipelago delle Canarie, e Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) in Arizona. Sebbene ciascuno utilizzi una tecnologia diversa, tutti possono rilevare i fotoni Cerenkov nella gamma di energia GeV-TeV.

Il rilevamento di tale radiazione di Hawking farebbe luce anche (ehm...) sulla produzione di pezzetti di buco nero, nonché sulla produzione di particelle a energie più elevate di quelle che possono essere raggiunte sulla Terra, e potrebbe portare segni di nuova fisica come supersimmetria, dimensioni extra o l'esistenza di particelle composite basate sulla forza forte.

"È stata una sorpresa scoprire che i frammenti di buco nero possono irradiarsi al di sopra delle capacità di rilevamento degli attuali telescopi Cherenkov ad alta energia sulla Terra", ha affermato Giacomo Cacciapaglia, autore principale dell'Université Lyon Claude Bernard 1 di Lione, in Francia. Notando che la rilevazione diretta della radiazione di Hawking proveniente dai pezzetti di buco nero sarebbe la prima prova del comportamento quantistico dei buchi neri, ha detto "se il segnale proposto verrà osservato, dovremo mettere in discussione l'attuale conoscenza della natura dei buchi neri" e produzione di bocconi.

Cacciapaglia ha detto che intendono contattare i colleghi dei gruppi sperimentali, quindi utilizzare i dati raccolti per cercare la radiazione di Hawking da loro proposta.