[论文解读] Detecting Planet 9 via Hawking radiation

Alexandre Arbey, Jérémy Auffinger|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 46被引用 7

一句话总结

本文提出通过使用类似突破摄星计划的纳米航天器编队，在GHz射电波段探测假设存在的第九颗行星（若其为原初黑洞，PBH）的霍金辐射。尽管由于宇宙微波背景（CMB）噪声过强，飞越任务难以探测到该微弱信号，但研究指出质量较小的PBH（≤0.01 M⊕）的霍金辐射发射强度可能超过CMB，使其成为未来轨道任务直接检验黑洞热力学的理想目标。

ABSTRACT

Concordant evidence points towards the existence of a ninth planet in the Solar System at more than $400\,$AU from the Sun. In particular, trans-Neptunian object orbits are perturbed by the presence of a putative gravitational source. Since this planet has not yet been observationally found with conventional telescope research, it has been argued that it could be a dark compact object, namely a black hole of probably primordial origin. Within this assumption, we discuss the possibility of detecting Planet 9 via a sub-relativistic spacecraft fly-by and the measure of its Hawking radiation in the radio band and conclude that it is too faint compared to the CMB. We thus present other perspectives with rather a satellite mission and conclude that smaller black holes would give much more interesting signals. We emphasize the importance of the study of such Hawking radiation laboratories in the Solar System.

研究动机与目标

• 探索若假设中的第九颗行星为原初黑洞（PBH），通过其霍金辐射进行探测的可行性。
• 评估亚相对论速度的航天器飞越任务是否能探测到在星际介质噪声背景下的微弱霍金辐射射电信号。
• 评估围绕太阳系遥远天体的轨道任务探测质量较轻PBH霍金辐射的潜力，其发射强度超过CMB。
• 探讨探测霍金辐射对检验量子引力理论预测及验证黑洞热力学的启示。
• 识别能最大化可探测霍金辐射且最小化背景干扰的PBH质量与自旋参数。

提出的方法

• 对质量为5–10 M⊕、自旋参数a* = 0–0.99的PBH建模霍金辐射发射，使用标准黑体谱公式计算其在GHz波段的射电流量。
• 估算在撞击参数b ~ 100 km处的飞越任务的信噪比，考虑其与b的平方反比关系。
• 评估宇宙微波背景（CMB）作为噪声源的主导性，尤其针对质量较大的PBH。
• 评估质量≤10⁻² M⊕的PBH霍金辐射的可探测性，此时黑洞温度T ≈ 2.7 K与CMB峰值匹配。
• 提出环绕海王星外天体的卫星任务，以实现长时间、CMB屏蔽下的霍金辐射探测。
• 利用数值模拟比较不同质量与自旋下PBH发射谱与CMB谱的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过亚相对论速度的航天器飞越任务，在GHz射电波段探测到位于300–1000 AU处的5–10 M⊕黑洞的霍金辐射？
• RQ2 星际介质噪声如何影响飞越任务中微小引力扰动测量的可行性？霍金辐射探测能否规避此限制？
• RQ3 不同质量与自旋的PBH霍金辐射的可探测阈值是多少，尤其与CMB相比如何？
• RQ4 质量较轻的PBH（≤0.01 M⊕）是否可能发射比CMB更强的霍金辐射，从而实现直接探测？
• RQ5 针对假设中的第九颗行星，飞越任务与轨道任务哪种任务架构更有利于探测霍金辐射？

主要发现

• 由于宇宙微波背景（CMB）背景辐射过强，即使采用先进的射电探测技术，5–10 M⊕的第九颗行星的霍金辐射在飞越任务中仍过于微弱而无法探测。
• 第九颗行星的射电流量与撞击参数b的平方成反比，因此只有在飞越距离约100 km以内才可能实现探测。
• 对于质量≤10⁻² M⊕的PBH，其霍金辐射发射强度超过CMB在约2.7 K处的峰值，使其成为极具前景的探测候选体。
• 高自旋（a* = 0.99）可使引力波发射增强多达四个数量级，但其在GHz波段的探测仍未经证实。
• 围绕海王星外天体的轨道任务可实现CMB屏蔽与长时间积分，显著提升对质量较轻PBH探测的前景。
• 若对这类PBH的霍金辐射探测为阴性，将首次提供其发射强度的上限，可能对当前理论预测构成挑战。