Вчені створили в лабораторії модель чорної діри та випарували її

Фізики змоделювали в лабораторії систему, що імітує горизонт подій чорної діри. Вони вивчали деталі механізму випаровування чорних дір — теоретично передбаченого випромінювання Хокінга. Це випромінювання навряд чи можна виявити у справжніх чорних дірах — воно втрачається на фоні електромагнітного шуму Всесвіту. Лабораторний експеримент — це єдиний варіант довести існування цього гіпотетичного механізму еволюції чорних дір.

Джерело зображення: ШІ-генерація ChatGPT/3DNews

В недавньому минулому вчені вже створювали лабораторні моделі чорних дір, які лише імітують деякі фізичні процеси цих загадкових астрофізичних об'єктів. Ряд моделей були до смішного простими, наприклад, створюючи водоворот зливу води в раковині. Системи поскладніше спиралися на надохолоджені рідини та квантові ефекти. У будь-якому випадку, щось подібне до випромінювання Хокінга вчені вже спостерігали. Команда з Падерборнського університету в Німеччині (Paderborn University) пішла далі і спробувала відтворити найменш вивчений аспект випромінювання Хокінга — етап передачі енергії від чорної діри до випромінювання.

Для експерименту вчені створили оптичну систему на нелінійному оптичному кристалі (волноводі). Платформа імітувала поведінку світла поблизу горизонту подій чорної діри. У справжній чорній дірі горизонт подій — це математично розрахована межа, через яку нічого, включаючи світло, не може вирватися назовні. У лабораторній моделі такою межею став світловий імпульс всередині оптоволокна.

В ході експерименту через оптоволокно пропускали потужний короткий лазерний імпульс. Він тимчасово змінював властивості матеріалу, зокрема показник заломлення, з чим тісно пов'язана швидкість поширення світла в матеріалі. Для іншого, більш слабкого зондуючого світлового імпульсу це виглядало як рухома межа, яку не можна просто перетнути в звичайному режимі. Саме ця межа і стала аналогом горизонту подій. Коли слабкий імпульс взаємодіяв з цією областю, частина випромінювання змінювала частоту, і з'являлися пари сигналів, схожі на ті, які повинні виникати при випромінюванні Хокінга.

В процесі дослідження вчені побачили не лише сам аналог випромінювання, але й його зворотний вплив на систему — імітацію втрати енергії чорною дірою при випромінюванні Хокінга. У лабораторній моделі це проявилося як перерозподіл енергії всередині лазерного імпульсу: частина енергії йшла в нові світлові компоненти з іншими частотами. Фізика процесу виявилася схожою на передбачений механізм, при якому реальна чорна діра поступово втрачає енергію/масу — випаровується.

Щоб виявити дуже слабкий сигнал, вченим довелося порівнювати спектри світла до і після взаємодії, відсікати зайві оптичні ефекти та реєструвати окремі компоненти випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні. Вони також перевіряли, як сигнал залежить від потужності пробного імпульсу: одна частина ефекту зростала лінійно, інша — квадратично, що збіглося з розрахунками. Автори обережно зазначають, що повністю виключити всі побічні нелінійні процеси в такій складній оптичній системі неможливо. Тому експеримент не є прямим доказом випаровування справжніх чорних дір, але він показує, як цей процес може працювати на рівні хвиль і енергії. Але головний висновок полягає в тому, що раніше передбачений каскадний механізм переходу енергії чорної діри в випромінювання Хокінга може бути невірним. Цей процес більш простий і лінійний.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки