Το 1974, ο Stephen Hawking θεωρούσε ότι οι πιο σκοτεινοί βαρυτικοί μύες του σύμπαντος, οι μαύρες τρύπες, δεν ήταν οι αστρονόμοι που καταλάμβαναν το μαύρο αστέρι, που εκπέμπουν αυθόρμητα φως, ένα φαινόμενο που ονομάζεται τώρα ακτινοβολία Hawking.
Το πρόβλημα είναι ότι κανένας αστρονόμος δεν έχει παρατηρήσει ποτέ τη μυστηριώδη ακτινοβολία του Χόκινγκ, και επειδή προβλέπεται να είναι πολύ αμυδρή, μπορεί να μην το κάνει ποτέ. Γι ‘αυτό οι επιστήμονες σήμερα δημιουργούν τις δικές τους μαύρες τρύπες.
Οι ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Technion-Israel το έκαναν ακριβώς αυτό. Δημιούργησαν ένα ανάλογο μαύρης τρύπας από μερικές χιλιάδες άτομα. Προσπαθούσαν να επιβεβαιώσουν δύο από τις πιο σημαντικές προβλέψεις του Hawking, ότι η ακτινοβολία Hawking προκύπτει από το τίποτα και ότι δεν αλλάζει σε ένταση με την πάροδο του χρόνου, που σημαίνει ότι είναι στάσιμη.
“Μια μαύρη τρύπα υποτίθεται ότι ακτινοβολεί σαν ένα μαύρο σώμα, το οποίο είναι ουσιαστικά ένα θερμό αντικείμενο που εκπέμπει μια σταθερή υπέρυθρη ακτινοβολία “. “Ο Χόκινγκ πρότεινε ότι οι μαύρες τρύπες είναι σαν τα κανονικά αστέρια, τα οποία εκπέμπουν συνεχώς έναν συγκεκριμένο τύπο ακτινοβολίας. Αυτό θέλαμε να επιβεβαιώσουμε στη μελέτη μας και το κάναμε.”
Ο ορίζοντας του γεγονότος
Η βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας είναι τόσο ισχυρή που ούτε καν φως δεν μπορεί να ξεφύγει από τη σύλληψή του, όταν ένα φωτόνιο ή ελαφρύ σωματίδιο, διασχίζει πέρα από το σημείο της μη επιστροφής, που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότος. Για να ξεφύγει από αυτό το όριο, ένα σωματίδιο θα πρέπει να παραβιάζει τους νόμους της φυσικής και να ταξιδεύει γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός.
Ο Χόκινγκ έδειξε ότι αν και τίποτα που διασχίζει τον ορίζοντα του συμβάντος δεν μπορεί να ξεφύγει, οι μαύρες τρύπες εξακολουθούν να εκπέμπουν αυθόρμητα φως από τα όρια, χάρη στην κβαντική μηχανική και σε κάτι που ονομάζεται «εικονικά σωματίδια».
Όπως εξηγείται από την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, ακόμη και το πλήρες κενό του χώρου γεμίζει με ζεύγη «εικονικών» σωματιδίων που βγαίνουν μέσα και έξω από την ύπαρξη. Αυτά τα φευγαλέα σωματίδια με αντίθετες ενέργειες συνήθως εκμηδενίζονται σχεδόν αμέσως. Αλλά λόγω της ακραίας βαρυτικής έλξης σε έναν ορίζοντα γεγονότων, ο Hawking πρότεινε να χωριστούν ζευγάρια φωτονίων, με το ένα σωματίδιο να απορροφάται από τη μαύρη τρύπα και το άλλο να διαφεύγει στο διάστημα. Το απορροφούμενο φωτονίο έχει αρνητική ενέργεια και αφαιρεί την ενέργεια με τη μορφή μάζας από τη μαύρη τρύπα, ενώ το διαγραμμένο φωτονίο γίνεται ακτινοβολία Hawking. Από αυτό και μόνο, δεδομένου του αρκετού χρόνου (πολύ περισσότερο από την εποχή του σύμπαντος), μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να εξατμιστεί εντελώς.
«Η θεωρία του Χόκινγκ ήταν επαναστατική επειδή συνδύαζε τη φυσική της κβαντικής θεωρίας πεδίου με τη γενική σχετικότητα », θεωρία του Αϊνστάιν που περιγράφει πώς η ύλη στρεβλώνει τον χωροχρόνο. «Βοηθά ακόμα τους ανθρώπους να αναζητήσουν νέους νόμους της φυσικής μελετώντας τον συνδυασμό αυτών των δύο θεωριών σε ένα φυσικό παράδειγμα. Οι άνθρωποι θα ήθελαν να επαληθεύσουν αυτήν την κβαντική ακτινοβολία, αλλά είναι πολύ δύσκολο με μια πραγματική μαύρη τρύπα, επειδή η ακτινοβολία Hawking είναι τόσο αδύναμη σε σύγκριση στο φόντο ακτινοβολία του διαστήματος. “
Αυτό το πρόβλημα ενέπνευσε τον Steinhauer και τους συναδέλφους του να δημιουργήσουν τη δική τους μαύρη τρύπα μια ασφαλέστερη και πολύ μικρότερη από την πραγματική συμφωνία.
Μαύρη τρύπα DIY
Η εργαστηριακή μαύρη τρύπα που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές κατασκευάστηκε από ένα ρέον αέριο περίπου 8.000 ατόμων ρουβιδίου που ψύχθηκε στο σχεδόν απόλυτο μηδέν και συγκρατήθηκε στη θέση του από μια ακτίνα λέιζερ. Δημιούργησαν μια μυστηριώδη κατάσταση της ύλης, γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC), η οποία επιτρέπει σε χιλιάδες άτομα να δρουν μαζί μαζί σαν να ήταν ένα άτομο.
Χρησιμοποιώντας μια δεύτερη ακτίνα λέιζερ, η ομάδα δημιούργησε ένα γκρεμό δυνητικής ενέργειας, η οποία έκανε το αέριο να ρέει σαν νερό να τρέχει κάτω από έναν καταρράκτη, δημιουργώντας έτσι έναν ορίζοντα γεγονότος όπου το μισό του αερίου ρέει γρηγορότερα από την ταχύτητα του ήχου, το άλλο μισό πιο αργό. Σε αυτό το πείραμα, η ομάδα έψαχνε ζευγάρια φωνών, ή κβαντικά ηχητικά κύματα, αντί για ζεύγη φωτονίων, που σχηματίζονται αυθόρμητα στο αέριο.
«Είναι σαν να προσπαθείς να κολυμπήσεις ενάντια σε ένα ρεύμα που είναι πιο γρήγορο από ό, τι μπορείς να κολυμπήσεις. [Αυτό] ακριβώς σαν να είσαι σε μια μαύρη τρύπα, όταν είσαι μέσα, είναι αδύνατο να φτάσεις στον ορίζοντα.
Μόλις βρήκαν αυτά τα ζεύγη φωνών, οι ερευνητές έπρεπε να επιβεβαιώσουν εάν συσχετίστηκαν και εάν η ακτινοβολία Hawking παρέμενε σταθερή με την πάροδο του χρόνου (εάν ήταν στάσιμη). Αυτή η διαδικασία ήταν δύσκολη γιατί κάθε φορά που έβγαζαν μια φωτογραφία της μαύρης τρύπας τους, καταστρέφεται από τη θερμότητα που δημιουργείται στη διαδικασία. Έτσι, η ομάδα επανέλαβε το πείραμα 97.000 φορές, λαμβάνοντας περισσότερες από 124 ημέρες συνεχών μετρήσεων για να βρει τους συσχετισμούς. Στο τέλος, η υπομονή τους απέδωσε.
“Δείξαμε ότι η ακτινοβολία Hawking ήταν ακίνητη, που σημαίνει ότι δεν άλλαξε με την πάροδο του χρόνου, όπως ακριβώς προέβλεπε ο Hawking”, δήλωσε ο Steinhauer.
Οι ερευνητές παρουσίασαν λεπτομερώς τα ευρήματά τους στις 4 Ιανουαρίου στο περιοδικό Nature Physics.