Ученые Израильского технологического института создали в лабораторных условиях звуковой аналог черной дыры, подтвердив существование устойчивого излучения Хокинга. Ранее физики из Мексики и Израиля впервые продемонстрировали существование излучения Хокинга с помощью сверхкоротких лазерных импульсов и фотонного кристаллического волокна. Однако до сих пор подтвердить устойчивость излучения не удавалось. Рассказываем, что это такое, как ученые создали аналог черной дыры и к чему приведет новое открытие.
Как «работают» черные дыры?
Черные дыры — это области в космосе, где гравитация очень сильна. Причем настолько сильна, что все, что попадает в них, не может «сбежать» — даже свет. Теоретические предсказания предполагают, что вокруг черных дыр есть радиус, известный как горизонт событий. Как только что-то пересекает его, оно больше не может покинуть черную дыру. Дело в том, что гравитация становится все сильнее по мере приближения к ее центру.
В обычной черной дыре излучение Хокинга появляется, когда у горизонта событий возникает пара виртуальных частиц, которая превращается в пару «частица-античастица». При этом одна частица падает за горизонт, а другая улетает прочь.
Что предсказывал Хокинг?
Физик-теоретик Стивен Хокинг предсказал: хотя ничто не может покинуть черные дыры, они сами спонтанно испускают ограниченное количество света. Оно известно как излучение Хокинга. Согласно предсказаниям физика, это излучение бывает самопроизвольным (т. е. возникает из ничего) и стационарным (т. е. его интенсивность не сильно меняется со временем).
Излучение Хокинга — главный аргумент ученых относительно распада (испарения) небольших черных дыр, которые теоретически могут возникнуть в ходе экспериментов на БАК — Большом адронном коллайдере. На этом эффекте основана идея сингулярного реактора — устройства для получения энергии из черной дыры за счет излучения Хокинга.
В. Грибов в дискуссии с Я. Зельдовичем настаивал на том, что благодаря квантовому туннелированию черные дыры должны излучать частицы. Еще до публикации своей работы Хокинг посетил Москву в 1973 году, где он встречался с советскими учеными Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским. Они продемонстрировали Хокингу, что в соответствии с принципом неопределенности квантовой механики вращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы.
Согласно предсказаниям Хокинга, излучение черных дыр является спонтанным. В своем новом исследовании ученые намеревались выяснить, является ли излучение, испускаемое их черной дырой, также стационарным (т. е. остается ли оно постоянным во времени).
Что выяснили ученые?
Исследователи из Израильского технологического института Технион недавно провели исследование, направленное на проверку теоретических предсказаний Хокинга. В частности они изучали, был ли эквивалент излучения Хокинга в «искусственной черной дыре», созданной в лабораторных условиях, стационарным.
Если вы войдете внутрь горизонта событий, то не сможете выбраться отсюда даже для света. Излучение Хокинга начинается сразу за горизонтом событий, откуда свет едва может уйти. Это действительно странно, потому что там ничего нет; это пустое пространство. Но это излучение начинается из ничего, выходит и идет к Земле.
Джефф Штайнхауэр, один из исследователей в интервью для ScienceX
Как ученые создали искусственную черную дыру?
Искусственная черная дыра, созданная израильскими учеными, имела длину примерно 0,1 мм и была сделана из газа, состоящего из 8 000 атомов рубидия. Это относительно небольшое количество атомов. Каждый раз, когда исследователи фотографировали ее, черная дыра разрушалась. Таким образом, чтобы наблюдать за ее эволюцией во времени, им пришлось создать черную дыру, сфотографировать ее, а затем создать еще одну. Этот процесс повторялся много раз, в течение месяцев.
Излучение Хокинга, испускаемое этой аналоговой черной дырой, состоит из звуковых волн, а не световых. Атомы рубидия движутся быстрее скорости звука, поэтому звуковые волны не могут достичь горизонта событий и вырваться из черной дыры. Однако за пределами горизонта событий газ течет медленно, поэтому звуковые волны могут свободно перемещаться.
Рубидий течет быстро, быстрее скорости звука, а это означает, что звук не может идти против потока. Допустим, человек пытается плыть против течения. Если это течение идет быстрее, чем он в состоянии плыть, тогда двигаться вперед просто невозможно. Пловца постоянно отталкивает назад — поток движется слишком быстро и в противоположном направлении. В итоге человек застревает на одном месте. Вот на что похоже быть застрявшим в черной дыре и пытаться достичь горизонта событий изнутри.
Излучение Хокинга состоит из пар фотонов (то есть легких частиц): один выходит из черной дыры, а другой падает обратно в нее. Пытаясь идентифицировать излучение Хокинга, испускаемое аналоговой черной дырой, ученые искали похожие пары звуковых волн, одна выходила из черной дыры, а другая двигалась в нее. После того, как они идентифицировали эти пары звуковых волн, исследователи попытались определить, существуют ли между ними корреляции. Физики повторили свой эксперимент 97 000 раз — это 124 дня непрерывных измерений. В итоге исследователи обнаружили, что у аналога черной дыры возникает пара звуковых волн, а также подтвердили корреляцию между ними.
В целом результаты, похоже, подтверждают, что излучение, испускаемое черными дырами, является стационарным, как и предсказывал Хокинг. Хотя эти результаты относятся в первую очередь к созданной ими аналоговой черной дыре, теоретические исследования могут помочь подтвердить, можно ли их применить и к реальным черным дырам.
Что в итоге?
Исследование ученых поднимает важные вопросы. Дело в том, что им удалось наблюдать все время жизни аналоговой черной дыры и увидеть, как началось излучение Хокинга. В будущих исследованиях можно попытаться сравнить результаты работы с предсказаниями о том, что произойдет в реальной черной дыре. Таким образом, ученые смогут увидеть, начинается ли «настоящее» излучение Хокинга с нуля, а затем увеличивается, как и наблюдали физики вовремя эксперимента.
У реальной черной дыры два горизонта: внешний — горизонт событий (точнее, горизонт видимости) и внутренний — горизонт Коши. Между двумя горизонтами существует Т-область, где движение для любых объектов возможно только в одну сторону: свет, частица или человек будут двигаться только внутрь. Приливные силы будут нарастать по мере движения в этой области к внутреннему горизонту Коши. Удивительно, но под ним движение объекта к центру резко замедляется (в некотором смысле в координатах, сопутствующих самому объекту).
После остановки в сопутствующих объекту координатах он начинает выталкиваться наружу — в другую вселенную (топология для реальных черных дыр нетривиальная, в ней существует связь между разными вселенными, и объект должен выталкиваться в другую вселенную). В точке остановки (ее называют еще точкой поворота, точкой горловины) существуют максимальные приливные силы для данной черной дыры, данного объекта и начальных условий падения этого объекта (в других условиях этот максимум будет уже другим, но всегда конечным).
В области внутри внутреннего горизонта гравитационное притяжение намного ниже, поэтому объекты могут свободно перемещаться и больше не притягиваются к центру черной дыры. Тем не менее, они все еще не могут покинуть черную дыру, поскольку не могут пройти через внутренний горизонт в противоположном направлении (т. е. направляясь к горизонту событий).
По сути, горизонт событий — это внешняя сфера черной дыры, а внутри нее есть небольшая сфера, называемая внутренним горизонтом. Если человек упадет за внутренний горизонт, то все равно застрянет в черной дыре. Но, по крайней мере, он не почувствует немыслимую физику пребывания в ней. Человек окажется в более «нормальной» среде, поскольку сила тяжести будет ниже, и больше ее почувствовать не удастся.
Некоторые физики предсказали, что когда аналоговая черная дыра образует внутренний горизонт, испускаемое ею излучение становится сильнее. Интересно, что именно это и произошло в аналоговой черной дыре, созданной исследователями Техниона. Таким образом, это исследование может вдохновить других физиков на изучение влияния образования внутреннего горизонта на интенсивность излучения Хокинга.
Читайте также
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Ученые впервые зафиксировали, как вокруг звезд малой массы формируются планеты