NAUKA I ASTRONOMIA

Dźwiękowa czarna dziura potwierdzająca promieniowanie Hawkinga

Model czarnej dziury, który więzi dźwięk zamiast światła został „przyłapany” na emitowaniu cząstek kwantowych, o których mówi się, że są analogiczne do teoretycznego promieniowania Hawkinga. Efekt ten może się okazać pierwszym wydarzeniem, kiedy stworzona w laboratorium czarna dziura wytworzyła cząsteczki Hawkinga, w ten sam sposób, w jaki oczekuje się, że działa to w przypadku prawdziwych czarnych dziur.

Czarne dziury to bardzo gęste koncentracje materii pozostawione po skończeniu życia przez gwiazdę lub inne masywnego ciało kosmiczne. Ich grawitacja jest tak silna, że nic – nawet światło – nie może uciec z ich krawędzi. Granica ta jest nazwana horyzontem zdarzeń.

Na podstawie tego fizycy uważali kiedyś, że czarne dziury będą – no cóż – czarne. Jednakże w 1974 roku Stephen Hawking z Uniwersytetu Cambridge przewidział, że powinny one emitować słabą poświatę cząsteczek, znaną obecnie jako promieniowanie Hawkinga.

Teoria kwantowa mówi, że próżna w kosmosie nie jest tak na prawdę pusta, ale pulsuje parami cząsteczek i ich odpowiednikami antymaterii. Normalnie te pary unicestwiają się wzajemnie i znikają. Jednak jeśli któraś z nich zostanie złapana poza horyzont zdarzeń, pozostała para staje się wolna i może „uciec” – w ten sposób obserwujemy właśnie promieniowanie Hawkinga.

Wspomniana poświata z prawdziwych czarnych dziur jest zbyt słaba, aby można było ją zobaczyć i jednocześnie potwierdzić przewidywania Hawkinga. Dlatego fizycy budują sztuczne czarne dziury, aby naśladować i obserwować zachowania w horyzoncie zdarzeń.

W 2010 roku, zespół kierowany przez Francesco Belgiorno z Uniwersytetu w Mediolanie stworzył model czarnej dziury, która przechwytywała fotony przekazywane dzięki impulsom laserowym przez kabel światłowodowy. Chociaż zespół ten twierdził, że emitowała ona promieniowanie Hawkinga, to inni badacze zakwestionowali ten rezultat, twierdząc, że nie zastosowano tu tej samej fizyki, która rządzi w prawdziwych czarnych dziurach i horyzoncie zdarzeń.

Uznano, że płyn kwantowy może być w stanie symulować dokładną fizykę horyzontu zdarzeń z czarnych dziur, chociaż oczywiście na znacznie mniejszą skalę. W roku 2009 Jeff Steinhauser w Technion-Israel Institute of Technology w Hajfie wraz ze swoim zespołem, zbudował taki model czarnej dziury, wykorzystując kondensaty Bosego-Einsteina (BEC), gdzie grupa super-zimnych atomów zachowuje się jak pojedynczy atom.

Obecnie grupa naukowców uważa, że ich czarna dziura wyprodukowała taki rodzaj promieniowania Hawkinga, jak jej prawdziwy odpowiednik w kosmosie. „Mówi to nam, że pomysły Hawkinga są na prawdę dobre”, mówi Steinhauer. „Czarne dziury na prawdę emitują promieniowanie Hawkinga”.

Zespół naukowców wykorzystał laser, aby zamknąć kondensat Bosego-Einsteina w wąskiej rurze. Drugi laser został użyty do przyspieszenia prędkości konsensatu, tak aby przekroczyła ona prędkość dźwięku. W ten sposób wytworzono dwa horyzonty – zewnętrzny, w miejscu gdzie przepływ stawał się ponaddźwiękowy oraz wewnętrzny, gdzie zwalniał on poniżej prędkości dźwięku.

Efekt Hawkinga pochodzi z szumu kwantowego na horyzoncie zdarzeń – mówi William Unruh z University of British Columbia w Kanadzie – jedna z pierwszych osób, która zaproponowała analogiczne eksperymenty z laboratoryjnymi czarnymi dziurami opartymi na płynie. Horyzont tworzy pary cząsteczek dźwięku lub fononów. Jeden z fononów ucieka z horyzontu, drugi zostaje w nim uwięziony.

Pojedynczy fonon jest zbyt słaby, aby można było go zaobserwować, jednak fonony odbijające się pomiędzy zewnętrznym i wewnętrznym horyzontem czarnej dziury, spowodowały wygenerowanie się większej ilości fononów Hawkinga, w taki sam sposób w jaki laser wzmacnia światło. Fizycy nazwali ten efekt „laserem czarnej dziury”.

„Promieniowanie Hawkinga gwałtownie rośnie poprzez samo-wzmacnianie”, kontynuuje Steinhauer. „Dzięki temu mogłem je zaobserwować, ponieważ jego amplituda wzrosła”. W przyszłości naukowiec planuje polepszenie możliwości wykrywania, tak aby były one czułe wobec pojedynczego horyzontu. Dzięki temu będzie można określić, czy pary fononów są splątane.

„Opracowanie to jest na prawdę zdumiewające”, mówi Deniele Faccio z Heriot-Watt University w Edynburgu, będący jednocześnie członkiem zespołu odpowiedzialnego za światłowód umieszczony wewnątrz czarnej dziury. „Praca ta postwiła wysoko poprzeczkę i możemy zobaczyć, myślę, że można tak powiedzieć – pierwsze jednoznaczne dowody na teorie Hawkinga, dotyczące promieniowania czarnych dziur. Rezultaty tych badań zmieniają nasze spojrzenie na te zagadnienia”.

Unruh podchodzi do całości jednak z większą rezerwą. „Nie zaryzykowałbym stwierdzenia, że sprawa została dowiedziona… jednakże jest najbliżej niż kiedykolwiek”, mówi naukowiec. „Jest oczywistym, że czarne dziury różnią się od właściwości kondensatów Bosego-Einsteina. Wykazanie, że dane efekty pojawiają się kiedy je wykorzystujemy nie gwarantuje, że to samo zdarza się w wypadku czarnych dziur. Aczkolwiek całość z pewnością zwiększa moje przekonanie, że właśnie tak może być. Matematyka, jak i rezultaty są zbyt podobe, aby uznać je jedynie za przypadek”.

Źródło: Nature Physics

Przeczytaj także

Gromada Feniksa przełamuje kosmiczny rekord

Alan O. Grinde

Ewolucja roślin po Czarnobylu

Alan O. Grinde

Pierwsze zdjęcie czarnej dziury

Alan O. Grinde

Czarnobyl – z biologicznej pustyni w rezerwat dzikiej przyrody

Alan O. Grinde

Elektrosmog – warto się przed nim ochronić

Artykuł Sponsorowany

Teleskop Hubble’a dostrzegł dysk wokół czarnej dziury

Alan O. Grinde