近日,國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO,拉索)”國(guó)際合作組在國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)表了關(guān)于原初黑洞搜尋的最新突破性成果。該研究利用LHAASO數(shù)據(jù),對(duì)原初黑洞壽命末期產(chǎn)生的“原初黑洞暴”進(jìn)行了首次全天空搜尋,并給出了國(guó)際最嚴(yán)格的觀測(cè)限制。
原初黑洞是理論上存在于宇宙極早期的物質(zhì)高密度區(qū)域直接引力塌縮形成的黑洞,是探索宇宙早期物理的重要探針,也是暗物質(zhì)的候選體之一。原初黑洞通過(guò)霍金輻射過(guò)程產(chǎn)生高能輻射現(xiàn)象,特別是,質(zhì)量約為10億噸的原初黑洞,其壽命與宇宙年齡相當(dāng),會(huì)在滅亡的最后時(shí)刻產(chǎn)生持續(xù)數(shù)秒至數(shù)百秒、強(qiáng)度極高的伽馬射線暴,即“原初黑洞暴”。探測(cè)此類(lèi)信號(hào)對(duì)人類(lèi)理解宇宙起源、暗物質(zhì)本質(zhì)、粒子物理基本規(guī)律及引力與熱力學(xué)的深層聯(lián)系具有重大意義。
研究團(tuán)隊(duì)利用拉索的水切倫科夫探測(cè)器陣列在2021年3月至2024年7月間累積的1241天的高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù),針對(duì)10秒、20秒和100秒這三個(gè)最靈敏的時(shí)間窗口,在約1至15 TeV的伽馬射線能段內(nèi),對(duì)全天空進(jìn)行了系統(tǒng)性搜尋。雖然暫未發(fā)現(xiàn)明確信號(hào),但這一“零發(fā)現(xiàn)”同樣意義重大——在99%置信度下,將原初黑洞爆發(fā)率鎖定為每立方光年每年不超過(guò)5.2次,比國(guó)際現(xiàn)有紀(jì)錄提高10倍以上。

圖:在99%的置信度下,不同實(shí)驗(yàn)對(duì)宇宙中每立方光年每年發(fā)生原初黑洞暴的次數(shù)給出的限制。圖中洋紅色上限來(lái)自于LHAASO實(shí)驗(yàn)組通過(guò)10s、20s、以及100s的搜尋窗口給出的國(guó)際上最嚴(yán)格的限制:即每立方光年每年少于5.2次。
拉索此次給出的限制結(jié)果為相關(guān)早期宇宙模型和暗物質(zhì)模型提供了至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)約束,顯著縮小了理論模型的參數(shù)空間。該研究成果充分展現(xiàn)了拉索實(shí)驗(yàn)在國(guó)際伽馬射線天文領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
該工作由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的畢效軍研究員、李哲副研究員、博士后姜候兵、博士后胡世聰以及杭州師范大學(xué)王賽教授和東北大學(xué)張?chǎng)谓淌谧鳛楣餐ㄓ嵶髡摺?/p>
文章鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/nkby-9cs3