我们如何探测原子大小的原始黑洞？ _黑洞

艺术家绘制的NGC 6397星系中心小黑洞的聚集。Credit: ESA/Hubble, N. Bartmann., CC BY-SA
据美国物理学家组织网（by Oscar del Barco Novillo, The Conversation）：爱因斯坦的广义相对论中最有趣的预言之一是黑洞的存在:引力场如此强大的天文物体，甚至连光都无法逃离它们。
当足够大质量的恒星耗尽燃料时，它会爆炸，剩余的核心会坍缩，导致恒星黑洞的形成(从3到100个太阳质量不等) 。
超大质量黑洞也存在于大多数星系的中心。这些是最大类型的黑洞，质量比我们的太阳大十万到一百亿倍。
到目前为止，天文学家已经捕捉到了两个超大质量黑洞的图像:一个在星系M87的中心，最近的一个在我们的银河系(人马座A*) 。
但人们认为存在另一种黑洞——原始黑洞(PBHs) 。这些黑洞与其他黑洞有着不同的起源，它们是在早期宇宙中通过密度极高区域的引力坍缩而形成的。
理论上，这些原始黑洞可以拥有任何质量，大小可以从一个亚原子粒子到几百公里。例如，质量相当于珠穆朗玛峰的PBH可能只有一个原子大小。
这些微小的黑洞比它们的大质量黑洞以更快的速度失去质量，发出所谓的霍金辐射，直到它们最终蒸发。
到目前为止，天文学家还未能观测到PBHs 。这是一个正在进行的研究课题，因为假设这些超致密物体可能是长期寻找的宇宙暗物质的一部分。
在最近的一份出版物中，提出了一种探测原子大小的原始黑洞的替代方案。在这项研究中，研究了这些微小黑洞之一与宇宙中密度最大的物体之一(中子星)之间相互作用的特征信号。
在开始这个新的天体物理模型之前，让我们先来评论一下这些迷人恒星的主要特征。
宇宙中密度最大的物体之一
如前所述，当大质量恒星耗尽燃料时，它会爆炸，其核心会坍塌，从而产生恒星黑洞。应该强调的是，并不是所有的情况都是如此:例如，如果坍缩核心的质量小于大约三个太阳质量，就会形成中子星。

一个孤立的原始黑洞的再造。Credit: NASA/ESA and G. Bacon (STScI)
这些都是非常小且密度极高的物体。例如，假设一颗质量为1.5倍太阳质量的恒星被压缩成一个直径只有20公里(相当于曼哈顿岛大小)的球体。
中子星的密度非常高:一汤匙的恒星物质会重达数百万吨！
最年轻的中子星属于被称为脉冲星的子类，它们以极高的速度旋转(甚至比厨房搅拌器还快) 。这些脉冲星以窄波束的形式发出辐射，周期性地到达地球。
随着时间的推移，这些物体冷却下来，失去了旋转速度，难以探测(只有最活跃的脉冲星被观测到) 。
原子大小的PBH与中子星的相互作用
原始黑洞可能位于暗物质密度非常高的星系区域。因此，它们可以漫游宇宙(以不同的速度和方向移动)，并最终与其他天文物体(如黑洞或中子星)相互作用。
从这个意义上说，一个原子大小的PBH可能会遇到一颗古老的中子星(它的温度非常低，几乎失去了所有的旋转速度) 。根据最近的研究，这些相遇的频率大约是每年20次。然而，这些相互作用中的大部分将很难观察到(由于距离地球的巨大距离和适当的方向) 。
考虑两种可能的情况:第一，当PBH被中子星捕获时，第二，当微小的黑洞从远距离进入，绕过NS，然后再次向外移动到“无限远”(即散射事件) 。根据特定的轨道(捕获或散射),会产生一个独特的信号。
上述信号被称为伽马射线爆发(GRB) ，可能是宇宙中最活跃的事件之一。
一种特殊的GRB
这些高能瞬态辐射持续数毫秒至数小时，其来源位于距离地球数十亿光年的地方。大量的能量以非常窄的光束形式释放出来。
较短的伽玛暴是由中子星或黑洞合并引起的，而较长的爆发源于大质量恒星(所谓的超新星)的死亡。
在我们这个特殊的例子中，GRB持续了大约35秒，有一个非常特殊的条件:一个平稳而持续的发射，然后在仅仅百分之几秒的时间里突然而快速地下降。
原子大小的PBH探测:一项不可能的任务？
考虑到寻找如此微小的黑洞的复杂性，这不是一个容易回答的问题。
尽管如此，如果这样一个特定的GRB被现代望远镜测量到(并且与这项研究中报告的特定特征相匹配)，那么可以认为在早期宇宙中发生了一次古老的PBH-中子星相互作用。
换句话说，它将提供这种低质量原始黑洞的实验证据，这是斯蒂芬·霍金的基本预测之一。
这不是一项容易的任务(也许，这样的伽玛暴可能永远不会被发现) ，但我们不能完全排除这种可能性:只有时间会告诉我们。