8 Minutės
Record-breaking neutrino may be final burst of an evaporating black hole
Neįprastai energingas neutrinas, pataikęs į Žemę su maždaug 220 petaelektronvoltų (PeV) energija — gerokai viršijęs ankstesnį 10 PeV rekordą — gali būti paskutinis garavimo pradžios juodosios skylės atodūsis, teigia naujas teorinis tyrimas. Įvykis, pažymėtas kaip KM3-230213A ir užfiksuotas KM3NeT/ARCA detektorių tinkle, iššaukė tradicinių ultraaukštos energijos neutrino šaltinių modelių peržiūrą ir atvėrė intriguojančią galimybę: kad Hawkingo spinduliavimas iš mirštančios juodosios skylės pagamino šį dalelės impulsą.
Tokios energijos kaip KM3-230213A neutrinas priverčia mokslininkus atnaujinti retų ar netikėtų dalelių gamybos mechanizmų pasirinkimą. Naujojoje analizėje fizikai Alexandra Klipfel ir David Kaiser (MIT) modeliavo mažų, primordialinių juodųjų skylių (PBŠ) Hawkingo garavimą ir apskaičiavo tikėtiną neutrino derlių per juodosios skylės paskutines akimirkas. Jų rezultatai rodo, kad maža PBŠ paskutinėje nanosekundėje gali išmesti milžinišką neutrino kiekį, įskaitant matomą dalį energijų diapazone nuo PeV iki kelių šimtų PeV.
Scientific background: primordial black holes and Hawking radiation
Primordialinės juodosios skylės yra hipotetiniai kompaktiniai objektai, galėję susiformuoti tankio svyravimų pirmosiomis sekunde po Didžiojo sprogimo metu. Skirtingai nei žvaigždinės kilmės juodosios skylės, PBŠ gali turėti labai mažą masę — net iki asteroidų ar mažesnių dydžių — ir prarasti masę laike per Hawkingo spinduliavimą. Šį kvantinį procesą pasiūlė Stephen Hawking: jis numatė, kad juodosios skylės gali skleisti daleles ir palaipsniui „garuoti“. Kuo mažesnė skylė, tuo didesnė būdingosios energijos paskutinių emisijų charakteristika; galutinė garavimo fazė gali pasireikšti kaip greitas aukštos energijos dalelių sproginėjimas.
Hawkingo spinduliavimas kyla iš kvantinių laukų sąveikos aplink įvykių horizontą. Toks procesas nėra vien tik termodinaminė išlyga — jis susijęs su lauko kvantizavimu kreivame erdvėlaikyje ir suteikia juodųjų skylių temperatūrą, inversiškai proporcingą jų masei. Maža PBŠ dėl savo aukštos temperatūros gali išskirti daleles su didelėmis energijomis, tarp jų ir neutrinas, kurie mūsų modeliuose pasirodo kaip svarbi aukštos energijos signalų komponentė. Šios emisijos spektras ir laiko profiliai priklauso nuo pradinės PBŠ masės, jos pastarosios evoliucijos ir galimų tarpdalykinių procesų miniatūrinėje erdvėje aplink skylę.
Visual impression of the ultra-high energy neutrino event observed in KM3NeT/ARCA. (KM3NeT)
Klipfel ir Kaiser rodo, kad PBŠ su asteroido dydžio mase iš principo galėtų per paskutinę nanosekundę išmesti maždaug 10^21 (vienas sekstilijonas) neutrinių — toks didelis kiekis reiškia, kad viena iš tų dalelių, jeigu sprogimas įvyktų palyginti arti kosminiais masteliais, galėtų susidurti su Žeme ir turėti energiją panašią į KM3-230213A užfiksuotą vertę. Tai numato labai specifinius erdvinius ir laiko parametrus, bet suteikia konkretų mechanizmą, kuriuo galime susieti ultraaukštos energijos neutrino registracijas su kvantiniais juodųjų skylių procesais.
Detection distance and probability
Tam, kad neutrinas su KM3-230213A energija pasiektų Žemę, PBŠ sprogimas turėtų įvykti maždaug per 2 000 astronominių vienetų (AU) spindulį — tai maždaug 3 procentai šviesmečio, atitinkantys atstumą gerokai viduje Saulės sistemos Oorto debesies ribų. Tokie nuotoliai yra kosmiškai trumpi, todėl aptikimo tikimybė priklauso nuo PBŠ pasiskirstymo artimoje aplinkoje ir nuo to, kokią dalį tamsiosios materijos sudaro PBŠ. Autoriai įvertina, kad scenarijuje, kuriame reikšminga dalis tamsiosios materijos yra sudaryta iš PBŠ, tikimybė aptikti bent vieną tokį artimą PBŠ garavimą, sukeliantį įvykį kaip KM3-230213A, yra šiek tiek mažesnė nei 8 procentai.
Tokia tikimybė nėra itin didelė, tačiau ji nėra menkutė. Neribotai mažos tikimybės reikštų, kad modelis nevertas tolimesnių tyrimų, tačiau 8 proc. — pakankama vertė, kad paskatintų kryptines paieškas ir papildomus stebėjimus. Be to, jei PBŠ komponuoja tik dalį tamsiosios materijos, aptikimo tikimybė atitinkamai mažėja; jeigu jų yra daugiau arba jei jų erdvinis pasiskirstymas yra netoli Saulės sistemos, tikimybė didėja. Tolimesnė teorinė analizė ir statistinis duomenų apdorojimas padės siaurinti šiuos modelio parametrus.
Detection context and implications for dark matter
KM3NeT/ARCA ir kiti neutrino observatorijos yra suprojektuotos fiksuoti retius, energingus neutrino susidūrimus su detektoriais, įmontuotais giliai po vandeniu ar ledu. Neutrino astronomija jungia dalelių fiziką ir astrofiziką, nes neutrinos gali sklisti beveik nepakitusios per didžiulius kosminius atstumus ir nešti tiesioginę informaciją apie ekstremalias jų šaltinių sąlygas. Dėl šios savybės vienas stebimas ultraaukštos energijos neutrinas gali suteikti vertingos informacijos apie jo kilmę, jeigu tik pavyksta patikimai rekonstruoti energiją ir kryptį.
Jei PBŠ–Hawkingo paaiškinimas KM3-230213A bus patvirtintas, tai būtų revoliucinis atradimas: pirmasis stebėjimo įrodymas apie Hawkingo spinduliavimą ir patvirtinimas, jog bent dalis tamsiosios materijos galėjo būti sudaryta iš primordialinių juodųjų skylių. Autoriai taip pat teigia, kad mažesnės energijos PeV neutrino įvykiai galėtų kilti iš tolimų PBŠ garavimų, sudarydami fono srautą aukštos energijos neutrinių iš visos galaktikos ir dar toliau. Tokia fono priežastis galėtų paaiškinti dalį iki šiol neaiškių neutrino stebėjimų, bet reikalautų kruopštaus statistinio atskyrimo nuo kitų galimų šaltinių.
Reikšmė tamsiosios materijos tyrimams yra dvišalė. Iš vienos pusės, PBŠ aptikimas reikštų, kad tamsioji materija gali turėti kompaktinių, daleliškos kilmės alternatyvų. Iš kitos — tokie aptikimai dar kartą pabrėžtų, jog mūsų kosmologiniai modeliai ir ankstyvosios visatos sąveikos gali būti sudėtingesnės, nei manyta. Tuo pačiu PBŠ scenarijus suteiktų naujas galimybes eksperimentiniam patikrinimui: jeigu PBŠ turi būdingą spektrą ir išskyrimo laiko profilį, mes galime ieškoti koreliuotų duomenų įvairiuose observatorijų tinkluose, įskaitant gama spindulių ir rentgeno teleskopus.
Reikalavimas patikros ir papildomų stebėjimų yra svarbus. Kaip pastebi David Kaiser: "8 procentų tikimybė nėra itin didelė, bet ji yra pakankama, kad tokią galimybę reikėtų rimtai svarstyti — ypač todėl, kad iki šiol nepavyko rasti kita paaiškinimo, kuris vienu metu apimtų tiek nepaaaiškintus labai aukštos energijos neutrinius signalus, tiek šį netikėtą ultraaukštos energijos įvykį." Alexandra Klipfel priduria, kad šis scenarijus pateikia konkrečius signalus ir kriterijus, kuriuos eksperimentai gali tikrinti ateityje.
Expert Insight
Dr. Maya R. Singh, astrofizikė, specializuojanti aukštos energijos dalelių astronomijoje, komentuoja: "Galimybė, kad vienas artimas primordialinės juodosios skylės garavimas sukėlė KM3-230213A, yra viliojanti, nes sujungia kelis neišspręstus klausimus — neutrinių kilmę, Hawkingo spinduliavimą ir tamsiąją materiją — į testuojamą hipotezę. Tolimesni žingsniai yra aiškūs: didinti stebėjimų ekspoziciją su esamais detektoriais, kryžminiai patikrinimai su papildomomis observatorijomis ir PBŠ populiacijų bei erdvinio pasiskirstymo modelių tikslinimas. Jei pavyktų aptikti koreliuotus signalus (pavyzdžiui, gama spindulius arba statistinį PeV neutrinių perteklių), tai žymiai sustiprintų šį argumentą."
Singh taip pat atkreipia dėmesį į modelio ribotumus: "Modeliai linkę remtis prielaidomis apie PBŠ masės pasiskirstymą ir ankstyvosios Visatos sąlygų parametrus. Stebėjimai, kurie patikrina kelis kanalus — ne tik neutrinuose, bet ir gama spinduliuose ar net gravitacinių bangų duomenyse — bus itin vertingi. Be to, rekomenduotina įtraukti diferencijuotą priėmimą, kad būtų galima atskirti PBŠ signalus nuo galimų egzotiškesnių arba tiesiogiai astrofizinių šaltinių, tokių kaip aktyvūs galaktikos branduoliai ar žaibiniai gama žybsniai."
Conclusion
Hipotezė, kad sproginėjanti primordialinė juodoji skylė sukūrė KM3-230213A, pateikia elegantišką paaiškinimą, jungiantį kvantinę juodųjų skylių fiziką su neutrino astronomija ir tamsiosios materijos tyrimais. Tai lieka spekuliatyvus, bet testuojamas scenarijus. Būsimi neutrinių stebėjimai, geresnės įvykių statistikos ir kryžminės paieškos tarp skirtingų detektorių bus lemiami nustatant, ar Hawkingo spinduliavimas pagaliau buvo užfiksuotas, ar už rekordinio neutrino stovi kitas, dar neatrastas astrofizinis variklis.
Praktiniai žingsniai, kurių reikalauja šio modelio patikra, apima ilgesnį ir platesnį detektorių veikimą, pažangesnę duomenų analizę, didesnį dėmesį laiko ir krypties koreliacijoms bei tarpdisciplininius tyrimus su gama, rentgeno ir galbūt gravitacinių bangų stebėjimais. Taip pat būtina pagerinti teorinius PBŠ evoliucijos modelius, įskaitant tarpdalykines sąveikas ir fotonų bei leptonų emisijos mechanizmus galutinėse garavimo stadijose. Tik toks kruopštus integruotas požiūris leis patikimai nustatyti, ar už KM3-230213A stovi Hawkingo spinduliavimas arba kitas, iki šiol nežinomas procesas.
Šaltinis: sciencealert
Komentarai