Cuando dos agujeros negros masivos chocan y se fusionan, o lo hacen una estrella de neutrones y un agujero negro, emiten ondas gravitacionales, ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo que viajan hacia afuera. Algunas de estas ondas llegan a la Tierra millones o miles de millones de años después. Estas ondas fueron predichas por Einstein en 1916 y observadas directamente por primera vez por los detectores LIGO en 2016. Desde entonces se han detectado docenas de ondas gravitacionales procedentes de fusiones de agujeros negros.

Estas fusiones también emiten una serie de "bocados de agujeros negros", agujeros negros más pequeños con masas del orden de un asteroide, creados en el campo gravitacional extremadamente fuerte resultante alrededor de la fusión debido a los llamados efectos "no lineales" de alta velocidad en general. relatividad. Estas no linealidades surgen debido a las soluciones inherentemente complejas de las ecuaciones de Einstein, a medida que el espacio-tiempo deformado y las masas se retroalimentan entre sí y ambos responden y crean nuevos espacio-tiempo y masas.

Esta complejidad también genera explosiones de rayos gamma de fotones extremadamente energéticos. Estas ráfagas tienen características similares, con un retraso temporal a partir de la fusión del orden de su tiempo de evaporación. Un bocado de 20 kilotones tiene una vida útil de evaporación de 16 años, pero este número puede cambiar drásticamente ya que el tiempo de evaporación es proporcional a la masa del bocado al cubo.

Los bocados más pesados ​​inicialmente proporcionarán una señal constante de explosión de rayos gamma, caracterizada por energías de partículas reducidas, proporcionales a la temperatura de Hawking. La temperatura de Hawking es inversamente proporcional a la masa de un agujero negro.

El equipo de investigación demostró, mediante cálculos numéricos utilizando un código público de código abierto llamado BlackHawk que calcula los espectros de evaporación de Hawking para cualquier distribución de agujeros negros, que la radiación de Hawking de los bocados de los agujeros negros crea explosiones de rayos gamma que tienen una huella distintiva. El trabajo está publicado en arXiv. servidor de preimpresión.

La detección de tales eventos, que tienen múltiples señales (ondas gravitacionales, radiación electromagnética, emisiones de neutrinos) se denomina astronomía multimensajero en la comunidad astrofísica y es parte de los programas de observación de los detectores de ondas gravitacionales LIGO en EE. UU., VIRGO en Italia y, en Japón, el telescopio de ondas gravitacionales KAGRA.

Las señales visibles de la evaporación de un agujero negro siempre incluyen fotones por encima del rango de TeV (un billón de electronvoltios, aproximadamente 0,2 microjulios; por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Europa, el mayor acelerador de partículas del planeta, colisiona protones de frente con un total de energía de 13,6 TeV). Esto proporciona una "oportunidad de oro", escribe el grupo, para que los llamados telescopios atmosféricos Cherenkov de alta energía detecten esta radiación de Hawking.

Estos telescopios Cherenkov son antenas parabólicas terrestres que pueden detectar fotones muy energéticos (rayos gamma) en el rango de energía de 50 GeV (mil millones de electronvoltios) a 50 TeV. Estas antenas logran esto detectando los destellos de radiación de Cherenkov que se producen cuando los rayos gamma caen en cascada a través de la atmósfera de la Tierra, viajando más rápido que la velocidad de onda ordinaria de la luz en el aire.

Recuerde que la luz viaja ligeramente más lentamente en el aire que en el vacío, porque el aire tiene un índice de refracción ligeramente mayor que uno. La radiación de rayos gamma de Hawking que cae en cascada a través de la atmósfera excede este valor más lento, creando radiación Cerenkov (también llamada radiación de frenado, Bremsstrahlung en alemán). La luz azul que se ve en los charcos de agua que rodean las barras de reacción de un reactor nuclear es un ejemplo de radiación Cerenkov.

En la actualidad hay cuatro telescopios que pueden detectar estas cascadas de radiación Cerenkov:el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS) en Namibia, el Telescopio Cherenkov de Imágenes Gamma Atmosféricas (MAGIC) en una de las Islas Canarias, el Primer Telescopio Cherenkov G-APD ( FACT), también en la isla de La Palma, en el archipiélago canario, y Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) en Arizona. Aunque cada uno utiliza una tecnología diferente, todos pueden detectar fotones Cerenkov en el rango de energía GeV-TeV.

La detección de dicha radiación de Hawking también arrojaría luz (ejem...) sobre la producción de fragmentos de agujeros negros, así como sobre la producción de partículas a energías superiores a las que se pueden alcanzar en la Tierra, y puede contener signos de nueva física como la supersimetría, dimensiones adicionales o la existencia de partículas compuestas basadas en la fuerza fuerte.

"Fue una sorpresa descubrir que los fragmentos de un agujero negro pueden irradiar por encima de las capacidades de detección de los actuales telescopios Cherenkov de alta energía en la Tierra", dijo Giacomo Cacciapaglia, autor principal de la Universidad Lyon Claude Bernard 1 en Lyon, Francia. Señalando que la detección directa de la radiación de Hawking a partir de trozos de agujeros negros sería la primera evidencia del comportamiento cuántico de los agujeros negros, dijo que "si se observa la señal propuesta, tendremos que cuestionar el conocimiento actual sobre la naturaleza de los agujeros negros" y producción de bocados.

Cacciapaglia dijo que planean contactar a colegas de grupos experimentales y luego usar los datos recopilados para buscar la radiación de Hawking que proponen.