原始黑洞（PBH）被認為是在大爆炸後立即形成的，可能正在整個宇宙中升溫並爆炸。
物理學家在一項新研究中表示，這些由霍金輻射驅動的黑洞爆炸——霍金輻射是一種量子過程，黑洞由於其強大的引力場而從真空中產生粒子——可以被即將推出的望遠鏡探測到。而且，一旦被發現，這些奇異的爆炸可以揭示我們的宇宙是否包含以前未被發現的粒子。
黑洞自創世以來
已經有大量證據證明黑洞的存在，其質量範圍是質量的幾倍達到太陽質量的數十億倍。這些黑洞在合併過程中發出的引力波可以直接探測到它們，從而幫助它們成長。有些黑洞，例如，甚至被視界望遠鏡直接成像為“陰影”。
PBHs 最初由 Yakov Zeldovich 和 Igor Novikov 於 1967 年提出，被認為是在 PBHs 形成後的幾分之一秒內形成的。根據研究，可能與亞原子粒子一樣小美國宇航局。與由大質量恆星和星系坍縮形成的較大的對應物不同，PBH可能是在早期宇宙中極熱的粒子“原始湯”中的超緻密區域的坍縮中出現的。
如果它們存在的話，這些緊湊的物體可以為以下現象提供自然的解釋：，一種看不見的實體，約佔宇宙物質的 85%。然而，PBH 仍然難以捉摸。它們的理論存在得到了宇宙學模型組合的支持，但尚未被直接觀測到。
霍金輻射效應
PBH 最有趣的方面之一是它們與霍金輻射的聯繫。根據，黑洞並不是完全“黑”的；它們可以發射輻射並通過斯蒂芬·霍金首先理論化的過程緩慢失去質量。這種發射被稱為霍金輻射，當虛擬粒子對在黑洞邊緣（其“事件視界”）附近的空間真空中彈出時就會發生。雖然這些粒子對通常會相互湮滅，但如果其中一個粒子落入黑洞，另一個粒子就會以輻射的形式逃逸。隨著時間的推移，這會導致黑洞逐漸蒸發。
“對於質量比太陽大幾倍的黑洞，霍金輻射幾乎無法檢測到，”馬可·卡爾薩葡萄牙科英布拉大學的理論物理學家、該研究的合著者在一封電子郵件中告訴《生活科學》。 “但是較輕的黑洞——比如PBH——會更熱，並發出更多的輻射，這可能使我們能夠探測到這個過程。這種輻射可以包括從光子到電子再到中微子的各種粒子。”
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當 PBH 蒸發時，它會失去質量，變得更熱，並在反饋迴路中發出更多輻射。最終，黑洞會在強大的輻射爆發中爆炸——現有的伽馬射線和中微子望遠鏡正在積極尋找這一過程。儘管尚未檢測到明確的 PBH 爆炸，但新研究表明這些罕見事件可能是解鎖新物理學的關鍵。
探究 PBH 的最後時刻
他們最近的研究發表在Calzà 和研究合著者、科英布拉大學理論物理學家 João G. Rosa 介紹了研究 PBH 蒸發最後階段的創新方法。通過分析霍金輻射的特性，兩人開發了估計 PBH 質量和自旋的工具。
羅莎在一封電子郵件中告訴《生活科學》雜誌：“追踪PBH蒸發時的質量和旋轉可以提供有關其形成和演化的寶貴線索。”
他們的工作對基礎物理學具有重大影響。在之前的一項研究中，Rosa、Calzà 和牛津大學的合作者 John March-Russell 探索瞭如何——將自然的基本力統一到單一量子理論中的嘗試——可能會影響正在蒸發的PBH。弦理論預測存在大量稱為軸子的低質量粒子，它們沒有內在自旋。他們的研究表明，軸子發射實際上可以使PBH旋轉，這與霍金的預測相反。
卡爾薩說：“旋轉的PBH將為這些奇異軸子提供令人信服的證據，有可能徹底改變我們對粒子物理學的理解。”
此外，該研究表明，分析 PBH 在其最後時刻的質量和自旋的演化可以揭示其他新粒子的存在。通過跟踪霍金輻射的光譜，科學家們或許能夠區分高能粒子物理模型。當PBH在太空中爆炸時，中微子望遠鏡，例如IceCube，甚至可以幫助發現這些新粒子。
羅莎說：“如果我們能夠捕捉到一個爆炸的PBH並測量其霍金輻射，我們就可以了解大量有關新粒子的信息，並有可能指導未來粒子加速器的設計。”
儘管尚未發現爆炸的 PBH，但 Calzà 和 Rosa 團隊開發的工具和方法可以為未來的發現鋪平道路。研究人員強調，專門的實驗可能沒有必要，因為幾台具有前所未有的靈敏度的新型伽馬射線和中微子望遠鏡已經在開發中。
“如果它在附近爆炸，即將推出的望遠鏡可以很容易地發現它。如果我們足夠幸運能夠探測到爆炸的PBH，它可能會改變我們對自然基本定律的了解，”羅莎說。
