Laboratoryjny odpowiednik czarnej dziury emitujący promieniowanie Hawkinga

Czarna dziura jest bardzo gęstą koncentracją materii, która powstaje w wyniku grawitacyjnego zapadnięcia się masywnego obiektu, przykładowo czarne dziury powstają w wybuchach supernowych, gdzie „rodzą się” z jądra masywnej gwiazdy. Pole grawitacyjne czarnej dziury jest tak silne, że nawet światło nie jest w stanie z niego uciec. Granica, dla której prędkość ucieczki przekracza prędkość światła, nazywana jest horyzontem zdarzeń.

W 1974 roku Stephen Hawking przewidział, że czarne dziury nie są jednak całkiem czarne, a mogą emitować cząstki, co zwane jest obecnie promieniowaniem Hawkinga. To promieniowanie wynika z teorii kwantowej i jej rozumienia próżni (która wcale nie jest pusta w potocznym rozumieniu tego słowa, ale nieustannie tworzą się i anihilują w niej pary cząstek i antycząstek). Gdy cząstka i antycząstka, które normalnie uległyby anihilacji przy wzajemnym spotkaniu, znajdą się po przeciwnych stronach horyzontu zdarzeń, ta która jest na zewnątrz, może uciec z czarnej dziury.

Jak dotąd nie udało się takiego promieniowania zaobserwować w przypadku kosmicznych czarnych dziur. Czarnych dziur nie wytworzono także w laboratoriach. Ale niektórzy fizycy próbują eksperymentalnie tworzyć odpowiedniki czarnych dziur.

"Fizycy zwrócili uwagę, że wiele znanych układów fizycznych, które obserwuje się doświadczalnie, jest opisywanych bardzo podobnymi równaniami, co prawdziwe czarne dziury. Układy takie nazwano >>analogowymi<< czarnymi dziurami i traktowano jak fizyczne symulacje kosmicznych czarnych dziur wykonywane przy pomocy zupełnie innych układów fizycznych" - mówi PAP dr Andrzej Dragan z Instytutu Fizyki Teoretycznej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

W roku 2010 zespół, którym kierował Francesco Belgiorno z Uniwersytetu w Mediolanie, skonstruował model, w którym horyzont zdarzeń przechwytywał fotony dzięki laserowym pulsom w światłowodach. Naukowcy ogłosili, iż wytworzyli promieniowanie Hawkinga. Jednak świat nauki pozostał sceptyczny i zarzucano, że nie działają tutaj takie same mechanizmy, jak w prawdziwych czarnych dziurach.

Rok wcześniej do tematu podszedł Jeff Steinhauer z Technion-Israel Institute of Technology w Hajfie, wraz ze swoim zespołem. W tym przypadku naukowcy utworzyli model czarnej dziury z kondensatów Bosego-Einsteina, w których materia w bardzo niskich temperaturach ma następującą własność: grupy wielu cząstek zachowują się w przybliżeniu tak jak pojedyncze atomy.

W pracy, która ukazała się 12 października tego roku w internetowym wydaniu czasopisma naukowego „Nature Physics”, Jeff Steinhauer twierdzi, że jego „czarna dziura” wyprodukowała coś w rodzaju promieniowania Hawkinga.

Fizycy użyli lasera do zamknięcia kondensatu Bosego-Einsteina w wąskiej rurze. Drugim laserem przyspieszyli część kondensatu do prędkości większej niż prędkość dźwięku. Wtedy szybki kondensat utworzył dwa horyzonty: zewnętrzny w miejscu, gdy przepływ stawał się naddźwiękowy oraz wewnętrzny w punkcie, gdzie zwalniał poniżej prędkości dźwięku.

Według badaczy, odpowiednik promieniowania Hawkinga w eksperymencie wynikał z szumu kwantowego w miejscu horyzontu. Tworzyły się pary fononów (kwantów drgań sieci krystalicznej), z których jeden uciekał, a drugi zostawał uwięziony. Uwięzione fonony odbijały się pomiędzy zewnętrznym i wewnętrznym horyzontem, wzbudzając generację coraz większej ilości „fononów Hawkinga”, aż wreszcie Steinhauerowi udało się je zarejestrować. Mechanizm ten naukowcy nazwali „laserem czarnej dziury”.

"Chociaż nie mamy tu do czynienia z prawdziwą czarną dziurą, wynik ten jest niezwykle ważny, bo pośrednio potwierdza przewidywania, że kosmiczne czarne dziury powinny emitować promieniowanie przewidziane przez Hawkinga" - uważa Andrzej Dragan i wskazuje, iż istnieje powiedzenie: „te same równania mają te same rozwiązania”.

„Kosmologiczne czarne dziury opisane są tymi samymi równaniami, co układ fizyczny badany w przedstawionej pracy. Oznacza to, że jeśli efekt Hawkinga zachodzi w laboratoryjnym odpowiedniku czarnej dziury, to należy go się spodziewać także w rzeczywistej, kosmologicznej. Zatem z logicznego punktu widzenia nie jest to >>dowód<<, ale bardzo mocna przesłanka” – tłumaczy naukowiec z UW w rozmowie z PAP.

Krzysztof Czart (PAP)

cza/ agt/