Портативная черная дыра расскажет о Вселенной

Одно из важнейших проявлений черной дыры – так называемое излучение Хокинга – процесс испускания элементарных частиц. Теоретическое доказательство такого излучения было продемонстрировано еще в 1973 году, но ученым пока не удается наблюдать его с помощью приборов. И вот астрофизики решили подойти к этой проблеме с другой стороны и создали собственную портативную черную дыру, в которой свет заменен на звук.

Фото: Портативная черная дыра расскажет о Вселенной

Черные дыры - самый интересный и необычный объект изучения астрономии. Эти сверхмассивные объекты Вселенной обладают такой силой гравитации, что не отпускают от себя даже частицы света – фотоны. Однако советские ученые Яков Зельдович и Алексей Старобинский рассчитали, что с поверхности черной дыры иногда должны отрываться некоторые элементарные частицы.

Своей теорией они поделились с выдающимся физиком-теоретиком современности англичанином Стивеном Хокингом. Это произошло на встрече в Москве в 1973 году, после чего Хокинг взялся доработать гипотезу Зельдовича-Старобинского.

Он доказал, что представление о черной дыре как об объекте, который ничего от себя не отпускает, неверно. На квантовом уровне, благодаря эффекту туннелирования, отдельные частицы могут преодолевать потенциальные барьеры и вырываться на свободу. Поток этих частиц назвали излучением Хокинга.

Фактически речь идет об испарении черной дыры, при котором масса этого космического тела медленно, но верно сокращается. Вместе с этим падает сила гравитации, и процесс излучения Хокинга постепенно набирает обороты.

Однако теоретического доказательства недостаточно, чтобы принять испарение черной дыры на веру, и вот уже более 30 лет астрономы исследуют звездное небо в поисках неопровержимых свидетельств. Но в этом им всячески мешают различные виды космического излучения, которые создают неотделимые помехи, мешающие любым наблюдениям.

Физики же решили подойти к проблеме с другой стороны и попробовали создать черную дыру в лабораторных условиях. Было предпринято сразу несколько попыток, пока ученым из Университета Колорадо не удалось найти оригинальное и эффективное решение.

Портативная черная дыра расскажет о Вселенной

Группа исследователей под руководством Нобелевского лауреата Эрика Корнелла построила установку, имитирующую черную дыру, где вместо фотонов задерживаются звуковые волны. В ней материал, перемещающийся со скоростью выше скорости звука, движется навстречу акустическим волнам и мешает им продвигаться.

Сто тысяч атомов рубидия ученые охладили до температуры на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля и поместили в статическое магнитное моле. При помощи лазера физики создали стену с высоким электрическим потенциалом, которая заставляет атомы освобождаться из магнитной ловушки и прорываться сквозь электрическую завесу на скорости, превышающей скорость звука.

Смотрите фоторепортажи в разделе " Наука и история "

Такая конструкция создает «суперзвук» - сигнал, длящийся около 8 миллисекунд и блокирующий обычные звуки так, как гравитация черной дыры останавливает частицы света. Теперь ученые настраивают установку, чтобы получить выраженное радиационное излучение Хокинга.

Сам английский ученый описывал появление излучения как элемент квантовой физики, проявляющийся в астрофизической модели. Его теория гласит, что две частицы могут спонтанно появляться в любой части пространства. Эта пара состоит из частицы и античастицы, которые одновременно существуют мгновения, после чего аннигилируют друг друга.

Хокинг предположил, что если такая пара возникнет на самой границе черной дыры, то есть шанс, что одна из частиц сможет вырваться на волю. Так и возникает излучение. В звуковой черной дыре американских ученых пару должны составить подобные частицам порции вибрационной энергии – фононы.

В том случае, если в экспериментальной установке будет обнаружено излучение Хокинга, физики докажут достоверность описанных теоретически механизмов существования черных дыр. А это, в свою очередь, поможет науке продвинуться дальше в деле изучения Вселенной и узнать о том, где проходит граница между квантовой и классической физикой, и как квантовые парадоксы могут объяснять феномены галактического масштаба.

Читайте также в разделе " Наука и техника "