中微子、暗物质、黑洞和霍金辐射——这些令人称奇的概念,在一项最近发表在《物理评论快报》的研究中,被紧密联系在了一起。
这项研究要从常被称为“幽灵粒子”的中微子说起。
中微子是宇宙中的一种基本粒子,它们几乎不与物质相互作用,可以毫无阻碍地穿过地球。为了捕捉它们,科学家在世界各地建造了巨型探测器,比如位于地下深处的江门中微子实验,南极冰层之下的IceCube,以及地中海深处的KM3NeT。
绝大多数从外太空抵达地球的中微子能量都比较低,但近年来,IceCube 和 KM3NeT探测到了少数能量高达1-100PeV的中微子。今年2月,KM3NeT甚至报告探测到了一个220PeV的中微子,突破了所有此前的观测纪录。
但问题随之而来:如此极端能量的中微子是如何产生的?已知的天体“加速器”,如超新星爆炸、伽马射线暴等,都难以解释这些事件。
在最新的研究中,物理学家提出了一个引人入胜的可能性:这些中微子可能源自原初黑洞。
目前,天文学家已经发现了许多由恒星坍缩形成的恒星级黑洞,以及拍摄到了星系中心的超大质量黑洞的视觉证据。但理论上,在宇宙大爆炸的第一秒,极端致密的物质甚至可以直接坍缩形成原初黑洞。
与其他类型的黑洞一样,原初黑洞会通过霍金辐射不断蒸发。它们的寿命与其质量的三次方成正比:大黑洞寿命极长,而小黑洞则会在宇宙演化中逐渐蒸发殆尽。
黑洞温度与质量成反比,所以当黑洞逐渐失去质量,温度就会越高,释放出的粒子能量也越强。当黑洞进入生命最后阶段时,蒸发会在极短时间内加速,最终发生一次剧烈爆发,释放出包括特高能中微子在内的各种粒子。
在这项研究中,物理学家假设原初黑洞不仅存在,还可能构成暗物质的重要组成部分。这样一来,它们就会分布在银河系的暗物质晕中。其中一小部分质量较低的原初黑洞,如今已进入蒸发的最后阶段。
结果显示,原初黑洞的爆炸既能解释为什么IceCube和KM3NeT仅捕捉到极少数超高能中微子事件,也能解释它们的能量为何如此之高。而KM3NeT捕捉到220PeV事件,则可能是一例罕见的近距离爆发。
若这个假说成立,那么未来探测到的高能中微子在空间分布上应有特定偏好——它们更有可能来自银河系中心,因为那里的暗物质密度最高。
如果这一假说得到验证,不仅揭示了特高能中微子的起源,还将为原初黑洞和霍金辐射提供证据,甚至帮助我们理解暗物质的本质。