Смоделированный в лаборатории аналог чёрной дыры ведёт себя так, как и предсказывал Стивен Хокинг

Чёрная дыра
На этом изображении чёрная дыра MAXI J1820 + 070 поглощает материал соседней звезды и формирует аккреционный диск. Авторы и права: Aurore Simonnet / NASA’s Goddard Space Flight Center.

В 1974 году Стивен Хокинг выдвинул теорию о том, что самые тёмные гравитационные чудовища Вселенной, чёрные дыры, не являются чёрными как смоль пожирателями звёзд, как представляли себе астрономы, вместо этого они спонтанно излучают свет – явление, которое теперь называют излучением Хокинга.

Проблема в том, что ни один астроном никогда не наблюдал таинственного излучения Хокинга, и, поскольку предполагается, что оно очень слабое, возможно, исследователи никогда его и не увидят. Вот почему сегодня учёные создают свои собственные чёрные дыры.

Именно это и сделали исследователи из Израильского технологического института Техниона. Они создали аналог чёрной дыры, состоящий из нескольких тысяч атомов. Они пытались подтвердить два наиболее важных предсказания Хокинга: что излучение Хокинга возникает из ничего и что его интенсивность не меняется со временем, то есть она стационарна.

“Чёрная дыра должна излучать как чёрное тело, которое по сути является тёплым объектом, излучающим постоянное инфракрасное излучение”, – сказал соавтор исследования Джефф Стейнхауэр, доцент кафедры физики Израильского технологического института Техниона.

Хокинг предположил, что чёрные дыры похожи на обычные звёзды, которые постоянно излучают определённый тип излучения. Это то, что исследователи хотели подтвердить в своём исследовании, и они это сделали

Горизонт событий

Гравитация чёрной дыры настолько сильна, что даже свет не может избежать её притяжения после того, как пересечёт точку невозврата, называемую горизонтом событий. Чтобы покинуть эту границу, частица должна нарушить законы физики и двигаться быстрее света.

Хокинг показал, что, хотя ничто, пересекающее горизонт событий, не может ускользнуть от чёрной дыры, они всё же могут спонтанно излучать свет с границы горизонта событий благодаря “виртуальным частицам”.

Радиус Шварцшильда
Радиус Шварцшильда. Авторы и права: Tetra Quark / Wikimedia Commons, CC BY-SA.

Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, даже полный космический вакуум кишит парами “виртуальных” частиц, которые постоянно появляются и исчезают. Эти мимолётные частицы с противоположными энергиями обычно почти сразу же аннигилируют друг с другом. Но из-за экстремального гравитационного притяжения на границе горизонта событий Хокинг предположил, что пары фотонов могут быть разделены: одна частица поглощается чёрной дырой, а другая улетает в космическое пространство.

Поглощённый фотон имеет отрицательную энергию и вычитает энергию в виде массы из чёрной дыры, в то время как ускользнувший фотон становится излучением Хокинга. К слову, благодаря этому и при наличии достаточного количества времени (намного превышающем возраст нашей Вселенной) чёрная дыра может полностью испариться.

“Теория Хокинга была революционной, потому что он объединил физику квантовой теории поля с общей теорией относительности”, – сказал Штайнхауэр. “Учёные хотели бы изучить это квантовое излучение, но это очень сложно сделать в случае с реальной чёрной дырой, потому что излучение Хокинга очень слабо по сравнению с радиационным космическим фоном”.

Эта проблема вдохновила Штайнхауэра и его коллег на создание собственной чёрной дыры – более безопасной и гораздо меньшей, чем настоящая.

Чёрная дыра своими руками

Чёрная дыра, выращенная исследователями в лаборатории, состояла из потока газа, состоящего из примерно 8000 атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля и удерживаемых вместе с помощью лазерного луча. Они создали загадочное состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна, которое позволяет тысячам атомов действовать вместе в унисон, как если бы они были одним атомом.

Лаборатория
Джефф Стейнхауэр рядом с установкой для создания аналога чёрной дыры. Авторы и права: Technion-Israel Institute of Technology.

Используя второй лазерный луч, команда создала обрыв потенциальной энергии, который заставил газ течь, как вода, устремляющаяся вниз в водопаде, тем самым создав горизонт событий, где одна половина газа течёт быстрее скорости звука, а другая наполовину медленнее. В этом эксперименте команда искала пары фононов или квантовых звуковых волн вместо пар фотонов, спонтанно образующихся в газе.

Фонон на более медленной половине мог двигаться против потока газа, прочь от обрыва, в то время как фонон на более быстрой половине был захвачен скоростью сверхзвукового потока газа.

“Это похоже на попытку плыть против течения, которое быстрее, чем ты можешь плыть”, – объяснил Штайнхауэр.

Как только они нашли эти фононные пары, исследователи должны были подтвердить, коррелированы ли они и оставалось ли излучение Хокинга постоянным с течением времени (если оно было стационарным).

Этот процесс был сложным, потому что каждый раз, когда исследователи фотографировали свою чёрную дыру, она разрушалась из-за тепла, создаваемого в процессе. В итоге, команда повторила свой эксперимент 97 000 раз, на что потребовалось более 124 дней непрерывных измерений, чтобы найти корреляции. В конце концов, их терпение окупилось.

“Мы показали, что излучение Хокинга было стационарным, то есть не изменялось со временем, что и предсказывал Хокинг”, – сказал Штайнхауэр.

Исследователи подробно рассказали о своём открытии в статье опубликованной в журнале Nature Physics.


Больше информации:

https://www.nature.com/
Присоединяйся

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.