Ученые наблюдали излучение Хокинга в искусственной черной дыре

Черные дыры — это области в пространстве, где гравитация очень сильна — настолько, что ничто, входящее в них, не может вырваться наружу. Теоретические предсказания предполагают, что существует радиус, окружающий черные дыры, известный как горизонт событий. Как только что-то проходит через горизонт событий, оно больше не может избежать черной дыры, так как гравитация становится сильнее по мере приближения к ее центру.

Физик-теоретик Стивен Хокинг предсказал, что, хотя ничто не может вырваться из них, черные дыры спонтанно испускают ограниченное количество света, которое известно как излучение Хокинга. Согласно его предсказаниям, это излучение спонтанно (т. е. возникает из ничего) и стационарно (т. е. его интенсивность не сильно меняется со временем).

Ученые из Израильского технологического института недавно провели исследование, направленное на проверку теоретических предсказаний Хокинга. Более конкретно, они исследовали, является ли эквивалент излучения Хокинга в «искусственной черной дыре», созданной в лабораторных условиях, стационарным.

«Если вы войдете внутрь горизонта событий, то не сможете выбраться оттуда, это верно даже для света», — сказал Джефф Штайнхауэр, один из исследователей. — Излучение Хокинга начинается сразу за горизонтом событий, где свет едва может вырваться. Это действительно странно, потому что там ничего нет; это пустое пространство. И все же это излучение исходит из ничего, выходит наружу и направляется к Земле.»

Искусственная черная дыра, созданная Штайнхауэром и его коллегами, имела длину около 0,1 миллиметра и состояла из газа, состоящего из 8000 атомов рубидия, что является относительно небольшим числом атомов. Каждый раз, когда исследователи делали снимок, черная дыра разрушалась. Чтобы наблюдать ее эволюцию во времени, они должны были создать черную дыру, сфотографировать ее и затем создать другую. Этот процесс повторялся много раз, в течение нескольких 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 значит, что звук не может идти против течения», — объяснил Штайнхауэр. — Допустим, вы пытаетесь плыть против течения. Если этот поток течет быстрее, чем вы можете плыть, то вы не можете двигаться вперед, вы уходите назад, потому что поток движется слишком быстро и в противоположном направлении, поэтому вы застряли. Вот что значит застрять в черной дыре и попытаться достичь горизонта событий изнутри.»

Согласно предсказаниям Хокинга, излучение, испускаемое черными дырами, является спонтанным. В одном из своих предыдущих исследований ученые смогли подтвердить это предсказание в своей искусственной черной дыре. В своем новом исследовании они задались целью выяснить, является ли излучение, испускаемое их черной дырой, также стационарным (то есть остается ли оно постоянным во времени).

«Предполагается, что черная дыра излучает как черное тело, которое по сути является теплым объектом, испускающим постоянное инфракрасное излучение (то есть излучение черного тела)», — сказал Джефф Штайнхауэр. — Хокинг предположил, что черные дыры похожи на обычные звезды, которые постоянно излучают определенный тип излучения. Это то, что мы хотели подтвердить в нашем 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, испускаемое аналоговой черной дырой, которую они создали, ученые искали похожие пары звуковых волн, одна из которых выходила из черной дыры, а другая двигалась в нее. Определив эти пары звуковых волн, исследователи попытались определить, существуют ли между ними так называемые корреляции.

«Нам пришлось собрать много данных, чтобы увидеть эти корреляции», — сказал Джефф Штайнхауэр. «Таким образом, мы сделали 97 000 повторений эксперимента; в общей сложности 124 дня непрерывного измерения.»

В целом полученные результаты, по-видимому, подтверждают, что излучение, испускаемое черными дырами, является стационарным, как и предсказывал Хокинг. Хотя эти результаты применимы в первую очередь к аналоговой черной дыре, которую создали искусственно, теоретические исследования могут помочь подтвердить, могут ли они также быть применены к реальным черным дырам.

«Наше исследование также поднимает важные вопросы, потому что мы наблюдали всю жизнь аналоговой черной дыры, а это значит, что мы также видели, как началось излучение Хокинга», — сказал Джефф Штайнхауэр. «В будущих исследованиях можно было бы попытаться сравнить наши результаты с предсказаниями того, что произойдет в реальной черной дыре, чтобы увидеть, начинается ли «реальное» излучение Хокинга из ничего, а затем накапливается, как мы наблюдали.»

В какой-то момент во время экспериментов исследователей излучение, окружающее их аналог черной дыры, стало очень сильным, поскольку черная дыра образовала то, что известно как «внутренний горизонт».» В дополнение к горизонту событий общая теория относительности Эйнштейна предсказывает существование внутреннего горизонта, радиуса внутри черных дыр, который очерчивает дальнейшую область ближе к ее центру.

В области внутри внутреннего горизонта гравитационное притяжение намного ниже, поэтому объекты могут свободно перемещаться и больше не притягиваются к центру черной дыры. Однако они все еще не могут покинуть черную дыру, поскольку не могут пройти через внутренний горизонт в противоположном направлении (то есть направиться к горизонту событий).

«По сути, горизонт событий — это внешняя сфера черной дыры, а внутри нее есть небольшая сфера, называемая внутренним горизонтом», — сказал Джефф Штайнхауэр. — Если вы пройдете через внутренний горизонт, то вы все еще будете находиться в черной дыре, но, по крайней мере, вы не почувствуете странной физики пребывания в черной дыре. Вы окажетесь в более «нормальной» среде, поскольку притяжение гравитации будет ниже, так что вы больше не будете его чувствовать.»

Некоторые физики предсказывали, что когда аналоговая черная дыра образует внутренний горизонт, излучение, которое она испускает, становится сильнее. Интересно, что именно это и произошло в аналоговой черной дыре, созданной учеными. Таким образом, это исследование могло бы вдохновить других физиков на изучение влияния образования внутреннего горизонта на интенсивность излучения Хокинга.