В аналозі чорної діри спостерігалося стаціонарне випромінювання Хокінга

Після підтвердження у попередньому дослідженні зі штучною чорною дірою, що еквівалент випромінювання Хокінга є спонтанним, тепер вчені підтвердили, що воно є й стаціонарним. Також, дослідники побачили ознаки внутрішнього горизонту подій.

Про це розповідає видання "Phys.org".

Чорні діри -- це області в космосі, де гравітація дуже сильна -- настільки сильна, що ніщо, що потрапляє в них, не може втекти, у тому числі світло. Теоретичні прогнозування дозволяють припустити, що навколо чорних дір існує радіус, відомий як горизонт подій. Як тільки щось проходить горизонт подій, воно вже не може вирватися з чорної діри, оскільки гравітація стає сильнішою у міру наближення до її центру.

Фізик-теоретик Стівен Хокінг передбачив, що, хоча ніщо не може вирватися з них, чорні діри спонтанно випромінюють обмежену кількість світла, яке відоме як випромінювання Хокінга. Згідно з його передбаченнями, це випромінювання є спонтанним (тобто воно виникає ні з чого) і стаціонарним (тобто його інтенсивність з часом мало змінюється).

Вчені із Ізраїльського технологічного інституту Техніон нещодавно провели дослідження, спрямоване на перевірку теоретичних прогнозів Хокінга. Конкретно кажучи, вони перевірили, чи еквівалент випромінювання Хокінга в "штучній чорній дірі", створеній в лабораторних умовах, був стаціонарним.

"Якщо ви зайдете всередину горизонту подій, шляху щоб вибратися немає, навіть для світла", - розповідає Джефф Штайнгауер, один із учасників дослідження. "Випромінювання Хокінга починається прямо назовні горизонту подій, де світло ледве може втекти. Це дійсно дивно, тому що там нічого немає; це порожній простір. Однак це випромінювання починається з нічого, виходить і прямує до Землі".

Штучна чорна діра, створена Штайнгауером та його колегами, була довжиною приблизно 0,1 міліметра і була зроблена з газу, що складається з 8000 атомів рубідію, що є відносно малою кількістю атомів. Щоразу, коли дослідники фотографували її, чорна діра руйнувалася. Таким чином, щоб спостерігати її еволюцію з часом, їм довелося створити чорну діру, сфотографувати її, а потім створити ще одну. Цей процес повторювався багато разів, впродовж місяців.

Випромінювання Хокінга, яке випускає цей аналог чорної діри, складається зі звукових хвиль, а не світлових хвиль. Атоми рубідію течуть швидше, ніж швидкість звуку, тому звукові хвилі не можуть досягти горизонту подій і вирватися з чорної діри. Однак зовні горизонту подій газ тече повільно, тому звукові хвилі можуть вільно рухатися.

"Рубідій тече швидко, швидше, ніж швидкість звуку, і це означає, що звук не може йти проти потоку", - пояснює Штайнгауер. "Скажімо, ви намагаєтеся пливсти проти течії. Якщо ця течія рухається швидше, ніж ви можете пливти, тоді ви не можете рухатися вперед, вас відштовхує назад, тому що потік рухається занадто швидко і в протилежному напрямку, тому ви застрягли. Ось що озачало б застрягти в чорній дірі і намагатися досягти горизонту подій зсередини".

За передбаченнями Хокінга, випромінювання, що випускається чорними дірами, є спонтанним. В одному зі своїх попередніх досліджень Штайнгауер та його колеги змогли підтвердити це передбачення у своїй штучній чорній дірі. У своєму новому вченні вони вирішили дослідити, чи є випромінювання, яке випускає їхня чорна діра, також стаціонарним (тобто, чи лишається воно постійним з часом).

"Чорна діра повинна випромінювати так, як і чорне тіло, яке по суті є теплим об′єктом, що випускає постійне інфрачервоне випромінювання (тобто випромінювання чорного тіла)", - каже Штайнгауер. "Хокінг припустив, що чорні діри подібні звичайним зіркам, які постійно випромінюють певний тип випромінювання. Це те, що ми хотіли підтвердити в своєму дослідженні, і ми це зробили".

Випромінювання Хокінга складається з пар фотонів (тобто частинок світла): один виходить із чорної діри, а інший падає назад у неї. Намагаючись ідентифікувати випромінювання Хокінга, що випускається аналогом чорної дірои, яку вони створили, Штайнгауер і його колеги, таким чином, шукали подібні пари звукових хвиль, одна з яких виходить із чорної діри, а друга рухається в неї. Як тільки вони виявили ці пари звукових хвиль, дослідники спробували визначити, чи існували між ними так звані кореляції.

"Нам довелося зібрати багато даних, щоб побачити ці кореляції", - сказав Штайнгауер. "Таким чином, ми провели 97 000 повторень експерименту; загалом 124 дні безперервного вимірювання".

В цілому, результати, схоже, підтверджують, що випромінювання, що випускається чорними дірами, є стаціонарним, як передбачав Хокінг. Хоча ці висновки стосуються переважно аналогу чорної діри, яку вони створили, теоретичні дослідження можуть допомогти підтвердити, чи можна їх застосовувати і до реальних чорних дір.

"Наше дослідження також порушує важливі питання, оскільки ми спостерігали увесь час існування аналогу чорної діри, а це означає, що ми також бачили, як починалося випромінювання Хокінга", - каже Штайнгауер. "У майбутніх дослідженнях можна було б спробувати порівняти наші результати з прогнозами про те, що станеться в реальній чорній дірі, щоб побачити, чи "справжнє" випромінювання Хокінга починається з нічого, а потім нарощується, як ми спостерігали".

В якийсь момент під час експериментів дослідників випромінювання навколо їх аналогової чорної діри стало дуже сильним, оскільки чорна діра утворила те, що називається "внутрішнім горизонтом". На додаток до горизонту подій, теорія загальної відносності Ейнштейна передбачає існування внутрішнього горизонту -- радіусу всередині чорних дір, який окреслює подальшу область ближче до її центру.

В області всередині внутрішнього горизонту гравітаційне тяжіння набагато нижче, отже предмети можуть вільно пересуватися і більше не тягнуться у напрямку центру чорної діри. Проте, вони все ще не можуть покинути чорну діру, оскільки не можуть пройти через внутрішній горизонт у зворотному напрямку (тобто, прямуючи до горизонту подій).

"По суті, горизонт подій -- це зовнішня сфера чорної діри, і всередині неї є невелика сфера, яка називається внутрішнім горизонтом", - каже Штайнгауер. "Якщо ви провалитесь крізь внутрішній горизонт, ви все ще застрягли в чорній дірі, але принаймні ви не відчуваєте дивної фізики перебування в чорній дірі. Ви були б у більш "нормальному" середовищі, оскільки сила гравітації була б нижчою, тому ви не відчували б її більше".

Деякі фізики передбачали, що коли аналогова чорна діра утворює внутрішній горизонт, випромінювання, яке вона випускає, стає сильнішим. Цікаво, що саме це і сталося в аналоговій чорній дірі, створеній дослідниками з Техніон. Таким чином, це дослідження могло б надихнути інших фізиків дослідити вплив утворення внутрішнього горизонту на інтенсивність випромінювання Хокінга чорною дірою.

Читайте ще цікаві новини про космос.