W 1974 roku Stephen Hawking dokonał jednego ze swoich najsłynniejszych przewidywań: że czarne dziury ostatecznie całkowicie wyparują.
Zgodnie z teorią Hawkinga czarne dziury nie są idealnie „czarne”, ale w rzeczywistości emitują cząsteczki. Hawking uważał, że promieniowanie to może ostatecznie wyssać wystarczającą ilość energii i masy z czarnych dziur, aby zniknęły. Teorię powszechnie uważa się za prawdziwą, ale kiedyś uważano ją za prawie niemożliwą do udowodnienia.
Jednak po raz pierwszy fizycy pokazali to nieuchwytne promieniowanie Hawkinga - przynajmniej w laboratorium. Chociaż promieniowanie Hawkinga jest zbyt słabe, aby mogły zostać wykryte w przestrzeni przez nasze obecne instrumenty, fizycy widzieli to promieniowanie w analogu czarnej dziury utworzonym za pomocą fal dźwiękowych i jednych z najzimniejszych, najdziwniejszych materii we wszechświecie.
Pary cząstek
Czarne dziury wywierają tak niesamowicie silną siłę grawitacji, że nawet foton, który porusza się z prędkością światła, nie może uciec. Podczas gdy próżnia przestrzeni jest ogólnie uważana za pustą, niepewność mechaniki kwantowej dyktuje, że próżnia roi się od wirtualnych cząstek, które wlatują i znikają w parach materia-antymateria. (Cząstki antymaterii mają taką samą masę jak ich odpowiedniki materii, ale przeciwny ładunek elektryczny.)
Zwykle po pojawieniu się pary wirtualnych cząstek natychmiast się one unicestwiają. Jednak obok czarnej dziury, ekstremalne siły grawitacji zamiast tego odciągają cząstki od siebie, z jedną cząsteczką pochłoniętą przez czarną dziurę, podczas gdy druga wystrzeliwuje w kosmos. Zaabsorbowana cząstka ma energię ujemną, co zmniejsza energię i masę czarnej dziury. Połknij wystarczająco tych wirtualnych cząstek, a czarna dziura ostatecznie wyparuje. Uciekająca cząstka staje się znana jako promieniowanie Hawkinga.
Promieniowanie to jest na tyle słabe, że obecnie nie jesteśmy w stanie obserwować go w kosmosie, ale fizycy wymyślili bardzo kreatywne sposoby mierzenia go w laboratorium.
Horyzont zdarzenia z wodospadem
Fizyk Jeff Steinhauer i jego koledzy z Technion - Israel Institute of Technology w Hajfie wykorzystali ekstremalnie zimny gaz zwany kondensatem Bosego-Einsteina do modelowania horyzontu zdarzeń czarnej dziury, niewidzialnej granicy, za którą nic nie może uciec. W płynącym strumieniu tego gazu umieścili urwisko, tworząc „wodospad” gazu; kiedy gaz przepływał przez wodospad, zamieniał wystarczającą energię potencjalną w energię kinetyczną, aby płynąć szybciej niż prędkość dźwięku.
Zamiast materii i cząstek antymaterii badacze zastosowali pary fononów lub kwantowych fal dźwiękowych w przepływie gazu. Fonon po stronie wolnej może podróżować w kierunku przeciwnym do przepływu gazu, z dala od wodospadu, podczas gdy fonon po stronie szybkiej nie może, uwięziony przez „czarną dziurę” gazu naddźwiękowego.
„To tak, jakbyś próbował płynąć pod prąd, który płynął szybciej, niż mógłbyś pływać”, powiedział Steinhauer Live Live. „Czułbyś się, jakbyś szedł naprzód, ale tak naprawdę wracałeś. I to jest analogiczne do fotonu w czarnej dziurze, który próbuje wydostać się z czarnej dziury, ale przyciągany przez grawitację w niewłaściwy sposób”.
Hawking przewidział, że promieniowanie emitowanych cząstek będzie w ciągłym spektrum długości fal i energii. Powiedział także, że można to opisać pojedynczą temperaturą zależną tylko od masy czarnej dziury. Ostatni eksperyment potwierdził obie te prognozy w sonicznej czarnej dziurze.
„Te eksperymenty są tour de force” - powiedział Live Science Renaud Parentani, fizyk teoretyczny z Laboratoire de Physique Théorique z Paris-Sud University. Parentani studiuje również analogiczne czarne dziury, ale z teoretycznego punktu widzenia; nie był zaangażowany w nowe badanie. „To bardzo precyzyjny eksperyment. Ze strony eksperymentalnej Jeff jest w tej chwili wiodącym na świecie ekspertem od wykorzystywania zimnych atomów do badania fizyki czarnej dziury”.
Parentani podkreślił jednak, że to badanie jest „krokiem w długim procesie”. W szczególności badanie to nie wykazało korelacji par fononów z poziomem kwantowym, co jest kolejnym ważnym aspektem przewidywań Hawkinga.
„Historia będzie kontynuowana” - powiedział Parentani. „To wcale nie koniec”.
