В аналоге черной дыры наблюдалось стационарное излучение Хокинга

После подтверждения в предыдущем исследовании с искусственной черной дырой, что эквивалент излучения Хокинга является спонтанным, теперь ученые подтвердили, что оно является и стационарным. Также, исследователи увидели признаки внутреннего горизонта событий.

Об этом рассказывает издание "Phys.org".

Черные дыры -- это регионы в космосе, где гравитация очень сильна -- столь сильна, что ничто, что попадает в них, не может убежать, в том числе свет. Теоретические прогнозирования позволяют предположить, что вокруг черных дыр существует радиус, известный как горизонт событий. Как только что-то проходит горизонт событий, оно уже не может вырваться из черной дыры, поскольку гравитация становится сильнее по мере приближения к ее центру.

Физик-теоретик Стивен Хокинг предположил, что, хотя ничто не может вырваться из них, черные дыры спонтанно излучают ограниченное количество света, которое известно как излучение Хокинга. Согласно его предсказаниям, это излучение является спонтанным (то есть оно возникает из ничего) и стационарным (т.е. его интенсивность со временем мало меняется).

Ученые из Израильского технологического института Технион недавно провели исследование, направленное на проверку теоретических прогнозов Хокинга. Конкретно говоря, они проверили, был ли эквивалент излучения Хокинга в "искусственной черной дыре", созданной в лабораторных условиях, стационарным.

"Если вы зайдете внутрь горизонта событий, пути чтобы выбраться нет, даже для света", - рассказывает Джефф Штайнгауер, один из участников исследования. "Излучение Хокинга начинается прямо снаружи горизонта событий, где свет едва может убежать. Это действительно удивительно, потому что там ничего нет, это пустое пространство. Однако это излучение начинается из ничего, выходит и направляется к Земле".

Искусственная черная дыра, созданная Штайнгауером и его коллегами, была длиной примерно 0,1 миллиметра и была сделана из газа, состоящего из 8000 атомов рубидия, что является относительно малым количеством атомов. Каждый раз, когда исследователи фотографировали ее, черная дыра разрушалась. Таким образом, чтобы наблюдать ее эволюцию со временем, им пришлось создать черную дыру, сфотографировать ее, а затем создать еще одну. Этот процесс повторялся много раз, в течение месяцев.

Излучение Хокинга, которое испускает этот аналог черной дыры, состоит из звуковых волн, а не световых волн. Атомы рубидия текут быстрее, чем скорость звука, поэтому звуковые волны не могут достичь горизонта событий и вырваться из черной дыры. Однако снаружи горизонта событий газ течет медленно, поэтому звуковые волны могут свободно двигаться.

"Рубидий течет быстро, быстрее, чем скорость звука, и это означает, что звук не может идти против потока", - объясняет Штайнгауер. "Скажем, вы пытаетесь плыть против течения. Если это течение движется быстрее, чем вы можете плыть, тогда вы не можете двигаться вперед, вас отталкивает назад, потому что поток движется слишком быстро и в противоположном направлении, поэтому вы застряли. Вот что озачало бы застрять в черной дыре и пытаться достичь горизонта событий изнутри".

По предсказаниям Хокинга, излучение, испускаемое черными дырами, является спонтанным. В одном из своих предыдущих исследований Штайнгауер и его коллеги смогли подтвердить это предположение в своей искусственной черной дыре. В своем новом учении они решили исследовать, является ли излучение, которое испускает их черная дыра, также стационарным (то есть, остается оно постоянным со временем).

"Черная дыра должна излучать так же, как черное тело, которое по сути является теплым объектом, испускающим постоянное инфракрасное излучение (то есть излучение черного тела)", - говорит Штайнгауер. "Хокинг предположил, что черные дыры подобны обычным звездам, которые постоянно излучают определенный тип излучения. Это то, что мы хотели подтвердить в своем исследовании, и мы это сделали".

Излучение Хокинга состоит из пар фотонов (то есть частиц света): один выходит из черной дыры, а другой падает обратно в нее. Пытаясь идентифицировать излучение Хокинга испускаемого аналогом черной дырой, которую они создали, Штайнгауер и его коллеги, таким образом, искали подобные пары звуковых волн, одна из которых исходит из черной дыры, а вторая движется в нее. Как только они обнаружили эти пары звуковых волн, исследователи попытались определить, существовали ли между ними так называемые корреляции.

"Нам пришлось собрать много данных, чтобы увидеть эти корреляции", - сказал Штайнгауер. "Таким образом, мы провели 97000 повторений эксперимента, в целом 124 дня непрерывного измерения".

В целом, результаты, похоже, подтверждают, что излучение, испускаемое черными дырами, является стационарным, как предсказывал Хокинг. Хотя эти выводы касаются преимущественно аналога черной дыры, которую они создали, теоретические исследования могут помочь подтвердить, можно ли их применять и к реальным черным дырам.

"Наше исследование также поднимает важные вопросы, поскольку мы наблюдали все время существования аналога черной дыры, а это значит, что мы также видели, как начиналось излучение Хокинга", - говорит Штайнгауер. "В будущих исследованиях можно было бы попробовать сравнить наши результаты с прогнозами о том, что произойдет в реальной черной дыре, чтобы увидеть, начинается ли "настоящее" излучение Хокинга из ничего, а потом наращивается, как мы наблюдали".

В какой-то момент во время экспериментов исследователей излучение вокруг их аналоговой черной дыры стало очень сильным, поскольку черная дыра образовала то, что называется "внутренним горизонтом". В дополнение к горизонту событий, теория общей относительности Эйнштейна предполагает существование внутреннего горизонта -- радиуса внутри черных дыр, который определяет дальнейшую область ближе к ее центру.

В области внутри внутреннего горизонта гравитационное притяжение гораздо ниже, следовательно предметы могут свободно передвигаться и больше не тянутся в направлении центра черной дыры. Однако, они все еще не могут покинуть черную дыру, поскольку не могут пройти через внутренний горизонт в обратном направлении (то есть, направляясь к горизонту событий).

"По сути, горизонт событий -- это внешняя сфера черной дыры, и внутри нее есть небольшая сфера, которая называется внутренним горизонтом", - говорит Штайнгауер. "Если вы провалитесь сквозь внутренний горизонт, вы все еще застряли в черной дыре, но по крайней мере вы не чувствуете удивительной физики пребывания в черной дыре. Вы были бы в более "нормальной" среде, поскольку сила гравитации была бы ниже, поэтому вы не чувствовали бы ее больше".

Некоторые физики предполагали, что когда аналоговая черная дыра образует внутренний горизонт, излучение, которое она выпускает, становится сильнее. Интересно, что именно это и произошло в аналоговой черной дыре, созданной исследователями из Технион. Таким образом, это исследование могло бы вдохновить других физиков исследовать влияние образования внутреннего горизонта на интенсивность излучения Хокинга черной дырой.

Читайте еще интересные новости о космосе.