Ученые Техниона создали «черную дыру»

Наука и технологии28 июля 2019 года

Тем самым они подтвердили правоту выдающегося британского ученого Стивена Хокинга, который еще несколько десятилетий назад создал теорию излучения, а точнее, испарения «черных дыр» – black hole evaporation.

До Хокинга в рамках классической, не квантовой теории, считалось, что черная дыра не может ничего излучать, поскольку ее гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

 

Одной из самых смелых гипотез Стивена Хокинга стало предположение, что черные дыры все же испускают некоторое излучение, несмотря на мощную гравитацию, которая поглощает все, даже свет. Согласно учению Хокинга, которое основывается на квантовой теории, испарение частиц происходит рядом с так называемым горизонтом событий. Этим термином обозначается граница черной дыры. Рядом с ней из вакуума постоянно образуются пары разнозаряженных частиц – фотонов.

Одна из частиц пары обладает положительной энергией, а другая – отрицательной. Когда подобные пары появляются рядом с горизонтом событий черной дыры, происходит поглощение одной из частиц, а ее «пара» испаряется, то есть улетает наружу. Таким образом появляется тепловое излучение.

Этот эффект можно проследить у горизонта событий относительно малых по массе черных дыр. Чем меньше масса черной дыры, тем выше температура и скорость испарения. Таким образом легкие черные дыры имеют относительно меньший срок жизни, и, по гипотезе Хокинга могут и вовсе потерять свою массу и просто-напросто «испариться». Впрочем, этот процесс должен занять поистине астрономический отрезок времени, сопоставимый со сроком жизни Вселенной.

Сам Хокинг называл черные дыры порталами в другие Вселенные. Если кому-либо удастся оказаться у горизонта событий и быть затянутым в черную дыру, этот тоннель может оказаться переходом в другие миры. Проверить это утверждение экспериментальным путем вряд ли удастся в обозримом будущем, а вот изучить тепловое излучение черных дыр оказалось под силу ученым Техниона.

Команда исследователей физического факультета Техниона под руководством профессора Джеффа Штайнхауэра создала искусственную черную дыру, в которой звук выполняет функцию света. Разработав метод измерения спектра излучения Хокинга, они обнаружили, что искусственные черные дыры излучают тепло, как обычный горячий объект. Таким образом подтвердились предположения Хокинга и еще одного исследователя – израильского ученого профессора-астрофизика Яакова Бекенштейна, который еще в 1972 году определил температурные границы излучения черных дыр.

Результаты исследования команды профессора Штайнхауэра были опубликованы два месяца назад в журнале Nature.

 

Вот как описывает эксперимент лаборатории Штайнхауэра технологическая платформа wfoojjaec.eu.org:

«Поскольку «сигнал» от излучения Хокинга очень мал, нам не хватает технологии для его измерения вокруг настоящей черной дыры. Команда из Израильского технологического института (Технион) обратилась к аналогу чёрной дыры, что является очень новой концепцией, впервые продемонстрированной в 2009 году. Вместо того, чтобы притягивать свет с интенсивной гравитацией, аналог представляет собой конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC) ультра-холодные атомы рубидия, которые движутся быстрее скорости звука. Таким образом, он создает «горизонт событий» для звука.

В эксперименте команда использовала пары дополнительных звуковых волн, чтобы заменить виртуальные частицы. Одна из волн прошла мимо звукового горизонта событий, а другая отодвинулась. Команда смогла измерить излучение системы, подтвердив, что ее температура определяется только скоростью звука и расходом. Он излучал непрерывный спектр длин волн, который соответствует теориям Хокинга о поведении черной дыры.

Это второй эксперимент Техниона, демонстрирующий излучение Хокинга таким способом. Новый эксперимент содержит гораздо более чувствительные инструменты, добавляя больше поддержки теории. Следующим шагом является повторение эксперимента для отслеживания изменений в BEC с течением времени. Однажды мы можем даже применить полученные уроки для изучения настоящих черных дыр».

Впервые теория черных дыр (тогда они назывались «черными зведами») была сформулирована в трудах кембриджского ученого Джона Мичелла еще в 1783 году. Он рассматривал свою гипотезу на примере пушки, из которой вылетает ядро в строго вертикальном направлении. В какой-то момент на ядро начнет действовать сила гравитации, и оно должно начать падать вниз. Но если первоначальная скорость окажется выше определенного критического значения (скорости убегания), то ядро не вернется. Гипотеза, объясненная на примере ядра, оказалась верна для световых частиц. Скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, поэтому частицы света могут с легкостью покидать не только нашу планету, но и Солнце, свет которого отчетливо виден не только с Земли, но и из космоса. Во Вселенной существуют звезды-гиганты, обладающие гравитационным полем такой силы, что оно не позволяет фотонам света покидать их пределы. Получается, что испускаемый ими свет притягивается обратно, и «звезды» становятся темными, недоступными для наблюдения.

Исследование черных дыр вышло на новый уровень благодаря теории относительности Эйнштейна, которая была окончательно сформулирована в 1915 году. Тем не менее полного описания черных дыр пришлось ждать еще не менее полувека. В конце 60-х годов прошлого века на основании новых знаний о ходе коллапса массивных звезд ученым всего мира удалось прийти к единому мнению о возможности существования черных дыр в большинстве известных галактик.

Как уже говорилось выше, в 1972 году Яаков Бекенштейн предположил, что черные дыры должны иметь чётко определённую энтропию, пропорциональную площади её поверхности. Он же сформулировал обобщённый второй закон термодинамики, в том числе, для систем черных дыр. Спустя два года оба эти предположения подтвердил Стивен Хокинг.

После прорыва, совершенного учеными в 70-е, появилась идея о возможности создания искусственной черной дыры, которую можно было бы использовать в качестве модели для измерения параметров излучения Хокинга. Но только в наши дни подобная модель была создана в Технионе, где наконец были разработаны методы измерения температуры и спектра излучения Хокинга.

«Наша искусственная черная дыра подтверждает тепловую природу излучения Хокинга, – заявил глава исследовательской группы профессор Джефф Штайнхауэр. – Мы также обнаружили, что температура определяется искусственной гравитацией на поверхности искусственной черной дыры в соответствии с предсказаниями Хокинга».

Группа Штайнхауэра изучала феномен излучения в течение десяти лет. Их целью было не только создание модели черной дыры, но и разработка методов прогнозов Хокинга. Эсперимент был повторен 7 400 раз, при этом каждому «прогону» присваивался другой профиль плотности, на основании которых вычислялись средние значения.

Успех исследователей Техниона – это еще один существенный шаг к пониманию природы черных дыр, одного из самых загадочных и наименее понятных пока секретов Вселенной.