Fizycy stworzyli analogową czarną dziurę ze światła i zaobserwowali parowanie

Pełny tekst

Spis treści :

Czym jest promieniowanie Hawkinga

Laboratoryjne czarne dziury

Parowanie czarnych dziur

Fizycy z zespołu kierowanego przez dr. Lorenza M. Procopio z Uniwersytetu w Paderborn w Niemczech wykorzystali w laboratorium analog czarnej dziury . Stworzono go, co wydaje się w tej sytuacji paradoksalnie, ze światła. Laboratoryjna czarna dziura zaczęła „parować ”, co pozwoliło naukowcom zaobserwować odpowiednik procesu sprzężenia zwrotnego promieniowania Hawkinga .

Aby całkowicie uwolnić się od przyciągania grawitacyjnego Ziemi bez dalszego użycia napędu, należy nadać obiektowi tzw. prędkość ucieczki (drugą prędkość kosmiczną). Na poziomie morza wynosi ona około 11,2 km/s, co daje około 40 300 km/godz. Prędkość ucieczki z Ziemi to zaledwie około 0,00374% prędkości światła (w przybliżeniu 1/26 800 prędkości światła).

Grawitacja czarnej dziury jest tak potężna, że nawet światło nie jest w stanie się z niej wyrwać . Odległość od centrum czarnej dziury wyznaczająca granicę, poza którą światło nie może już się wydostać, nazywana jest horyzontem zdarzeń. Jest to tylko jeden z powodów, dla których czarne dziury są tak fascynujące oraz dlaczego tak trudno je badać.

Czym jest promieniowanie Hawkinga

W roku 1974 profesor Stephen Hawking po raz pierwszy zaproponował, że czarne dziury promieniują. To promieniowanie ciała doskonale czarnego powstaje wskutek efektów kwantowych w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Jednak mimo że promieniowanie Hawkinga jest solidnym i powszechnie akceptowanym przewidywaniem kwantowej teorii pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni, dokładny sposób przekazywania energii z czarnej dziury do emitowanego promieniowania pozostaje nierozwiązanym problemem .

Największa trudność jest taka sama w przypadku czarnych dziur: bezpośrednia obserwacja promieniowania Hawkinga jest obecnie niemożliwa . Co więcej, przewiduje się, że jego sygnał jest tak słaby, że być może nigdy nie uda się go oddzielić od promieniowania tła, które wypełnia cały Wszechświat.

Laboratoryjne czarne dziury

Dlatego zamiast badać prawdziwe czarne dziury , fizycy budują laboratoryjne układy działające zgodnie z tymi samymi prawami fizyki . Te analogi czarnych dziur rządzą się tą samą matematyką co czarne dziury. W eksperymencie użyto bardzo krótkich impulsów lasera przelatujących przez specjalne włókno światłowodowe. Pierwszy impuls zmienia właściwości optyczne szkła, spowalniając światło biegnące tuż za nim. Dla drugiego impulsu tworzy się w ten sposób „sztuczny horyzont zdarzeń” – sytuacja przypomina ucieczkę przed goniącą nas falą, która ostatecznie nas dogania i zamyka w pułapce. Właśnie to zjawisko naśladuje zachowanie światła w pobliżu prawdziwej czarnej dziury.

Wcześniej ten sam układ posłużył do odtworzenia samego promieniowania Hawkinga. Tym razem badacze szukali czegoś subtelniejszego – sprzężenia zwrotnego pokazującego, jak energia przechodzi z analogowej czarnej dziury do promieniowania .

Pomaga tu trzecia zasada dynamiki Newtona , czyli prawo akcji i reakcji. Mówi ona, że każdej akcji towarzyszy równa co do wartości i przeciwnie skierowana reakcja. Jeśli ciało A działa na ciało B pewną siłą, to ciało B działa na ciało A siłą o takiej samej wartości, ale przeciwnie skierowaną.

Parowanie czarnych dziur

Sprzężenie zwrotne to właśnie taki „odrzut” w analogu czarnej dziury: skoro promieniowanie Hawkinga unosi energię, układ, który je stworzył, musi tę energię oddać . Naukowcy nie patrzyli więc na samo promieniowanie, lecz na maleńkie przesunięcie impulsu laserowego, który je wygenerował – czyli na „odpychającego”, nie na „odepchniętego”.

Tu pojawiła się niespodzianka . Dotąd sądzono, że promieniowanie Hawkinga w takich analogach powstaje przez złożoną kaskadę zjawisk optycznych. Nowe wyniki pokazują jednak, że wystarczy jeden, bezpośredni proces, który tłumaczy zarówno promieniowanie, jak i sprzężenie zwrotne – pod warunkiem, że oddziaływanie między promieniowaniem a odpowiednikiem pola grawitacyjnego ma charakter bikwadratowy. Autorzy sugerują, że prawdziwe czarne dziury mogą promieniować w równie prosty sposób, a mechanizm ten opisywałby, jak dokładnie „parują”.

Zaobserwowanie takiego zjawiska wokół realnej czarnej dziury pozostaje niemożliwe. Jeśli jednak podobny mechanizm potwierdzi się w innych analogach, będzie można mówić o odkryciu fundamentalnym. To z kolei pomogłoby rozwiązać paradoks informacji – problem, nad którym Hawking pracował do końca życia.

Źródło : Nature

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i pisarka zajmującą się tematyką popularnonaukową, głównie kosmosem. Absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, przygodę z mediami rozpoczęła ponad 20 lat temu w redakcji „Życia Warszawy”. Poza pisaniem o polskiej i światowej nauce na łamach „National Geographic” współpracuje m.in. z „Wysokimi Obcasami” i kilkoma magazynami premium. Współautorka trzech bestsellerowych książek: „Człowiek – istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Pracuje w Centrum Badań Kosmicznych PAN i współpracuje z polskim Obserwatorium Cerro Murphy w Chile (OCM), którym zarządza CAMK PAN.