探测原始黑洞发出的霍金辐射的新可能性

虽然许多物理学家预测了暗物质的存在，暗物质是一种不吸收、反射或发光的物质，但迄今为止没有人能够通过实验观察到它或确定其基本性质。轻原始黑洞（PBH）是在早期宇宙中形成的黑洞，是最有希望的暗物质候选者之一。然而，这些黑洞的存在尚未得到证实。

霍金辐射
阿姆斯特丹大学和加州大学圣克鲁兹分校的研究人员最近进行了一项研究，旨在改善作为暗物质的 PBH 允许参数空间的现有限制。在他们发表在《物理评论快报》上的论文中，他们还提出了一种可能的方法，可用于直接检测暗物质密集区域中的霍金辐射，并有可能发现 PBH 暗物质。

霍金辐射
霍金辐射是斯蒂芬霍金预测黑洞自发发射的热辐射。这种辐射被假设是由量子真空涨落转化为成对粒子而产生的，一个粒子逃离黑洞，另一个被困在其事件视界内（即黑洞周围的边界，光或辐射都无法逃脱）。

黑洞
进行这项研究的研究人员之一亚当库根告诉 Phys.org：“包含超过百分之几的暗物质的PBH 的质量需要在大约 10 16克到 10 35克之间。” “在该范围的大部分时间里，各种观测结果将它们排除在 100% 的暗物质之外。然而，在限制条件方面存在显着差距：PBH 的质量接近小行星（约 10 17克到 10 22克）仍然可以构成所有暗物质。”

霍金辐射
确定限制 PBH 允许参数空间或检测从它们发出的霍金辐射的方法可能是观察或发现 PBH 暗物质的重要一步。Coogan 与他的同事 Logan Morrison 和 Stefano Profumo 合作，因此着手研究 MeV 伽马射线望远镜作为探测 PBH 霍金辐射工具的潜力。

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“我们工作背后的主要想法是考虑一种寻找小行星质量 PBH 的特殊方法，”库根解释说。“预计光 PBH 会发出由光子和其他光粒子（例如电子和介子）混合而成的霍金辐射。然后望远镜可以通过观察我们的星系或其他星系来搜索这种辐射。我们论文的目标是了解如何即将到来的望远镜将能够观察到这种辐射，因此它们可以探测到多少小行星质量的 PBH 参数空间。”

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在试图估计新型望远镜可以帮助探测的 PBH 的质量时，Coogan 和他的同事们发现，之前的研究尚未分析清楚 COMPTEL 望远镜收集的数据，这是美国宇航局在康普顿伽马射线天文台上发射的伽马射线望远镜(CGRO)。然而，这些数据可能有助于限制 PBH 的丰度略低于小行星质量差距（即低于 10 17克）。由于航海者 1 号和国际伽马射线天体物理实验室 (INTEGRAL) 卫星对霍金辐射的观测，该质量范围内已经存在约束，但研究人员引入的新辐射约束被发现是迄今为止最强的。

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“计算辐射约束和进行预测的关键输入是计算单个 PBH 产生的霍金辐射谱，”Coogan 说。“与文献中的现有工具相比，我们通过改进电子和π介子产生的辐射在光谱中的解释方式来改进这种计算。其余的计算对于暗物质搜索来说非常典型。”

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假设特定质量的 PBH 占空间总暗物质的给定部分，Coogan 和他的同事进行的计算将允许研究人员计算它们被认为包含大量的暗物质，例如银河系的中心。例如，如果通过这些计算估计的光谱远比观察到的光谱亮，则可以排除该特定质量的 PBH 构成暗物质特定部分的可能性。

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库根解释说：“尽管没有观察到的光谱可以比较，但对未来望远镜的性能进行预测也遵循类似的路线。” “在这种情况下，将 PBH 发射的光子光谱与光子的预期天体物理背景模型进行比较。”

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Coogan、Morrison 和 Profumo 最近的研究使用的作为 20 年前完成的实验的一部分收集的数据，对低质量 PBH 设置了迄今为止最强的限制。此外，研究人员表明，即将推出的能够观测 MeV 能量伽马射线的望远镜可以帮助探测小行星质量的 PBH，这是 PBH 参数空间中非常难以探测的部分。

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“近年来，天文学界一直在考虑有关此类望远镜的几项建议，我认为我们的论文为建造它们提供了另一个坚实的动力，”库根补充道。“除了 PBH，我们一直在研究即将推出的 MeV 伽马射线望远镜如何探测粒子暗物质的不同模型。我们最近完成了另一篇论文，我们计算了一些特定此类模型的伽马射线光谱，并正在与其他合作者合作完善这些计算。”

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Coogan、Morrison 和 Profumo 最近还与 NASA 的研究科学家 Alexander Moiseev 合作，后者正在开发一种名为 Galactic Explorer的望远镜，带有编码孔径掩模康普顿望远镜 (GECCO)。他们与 Moiseev 一起，一直试图找出 GECCO 可以帮助寻找暗物质的方法。

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