Forskere simulerer et sort hul i en vandtank

Visse fænomener, der forekommer i sorte huller, men som ikke kan observeres direkte i astronomiske undersøgelser, kan undersøges ved hjælp af en laboratoriesimulering. Dette er muligt på grund af en ejendommelig analogi mellem processer, der er karakteristiske for sorte huller og hydrodynamiske processer. Fællesnævneren er ligheden mellem bølgeudbredelse i begge tilfælde.

Denne mulighed undersøges i en ny artikel offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve . Fysiker Maurício Richartz, professor ved Federal University of the ABC (UFABC) i Brasilien, er en af ​​forfatterne til artiklen, produceret af Silke Weinfurtners gruppe ved University of Nottingham's School of Mathematical Sciences i Storbritannien. Forskningen blev støttet af FAPESP via det tematiske projekt "Fysik og geometri i rumtiden, "for hvilken Alberto Vazquez Saa er hovedforsker.

"Selvom denne undersøgelse er helt teoretisk, vi har også udført eksperimentelle simuleringer på Weinfurtners laboratorium, "Richartz fortalte Agência FAPESP." Apparatet består dybest set af en stor vandtank, der måler 3 x 1,5 meter. Vandet strømmer ud gennem et centralt afløb og pumpes tilbage i, så systemet når et ligevægtspunkt, hvor mængden af ​​indstrømning er lig med mængden af ​​udstrømning. Vi simulerer et sort hul på denne måde. "

Han gav yderligere detaljer for at forklare, hvordan dette blev gjort. "Vandstrømmen fremskynder, når den nærmer sig afløbet. Når vi producerer bølger på overfladen af ​​vandet, vi opnår to vigtige hastigheder:hastigheden af ​​bølgeudbredelse og hastigheden af ​​den samlede vandstrøm, " han sagde.

"Langt fra afløbet, bølgehastighed er meget højere end væskehastighed, så bølger kan forplante sig i enhver retning. Situationen er anderledes nær afløbet, imidlertid. Væskehastighed er meget højere end bølgehastighed, så bølgerne trækkes ned af vandstrømmen, selv når de formerer sig i den modsatte retning. Sådan kan et sort hul simuleres i laboratoriet. "

I et rigtigt astrofysisk sort hul, dens tyngdekraftsattraktion fanger stof og forhindrer bølger af enhver art i at undslippe, herunder lysbølger. I den hydrodynamiske simulacrum, bølgerne på overfladen af ​​væsken kan ikke flygte fra hvirvelen, der dannes.

I 1981, Den canadiske fysiker William Unruh opdagede, at ligheden mellem de to processer - et sort hul og et hydrodynamisk simulacrum - var mere end blot en analogi. Med et par forenklinger, ligningerne, der beskriver udbredelsen af ​​en bølge i nærheden af ​​et sort hul, er identiske med dem, der beskriver udbredelsen af ​​en bølge i vand, der strømmer ned i et afløb.

Dette legitimerer brugen af ​​hydrodynamiske processer til at undersøge de fænomener, der er typiske for sorte huller. I den nye undersøgelse, Richartz og samarbejdspartnere analyserede afslapningsprocessen (ringdown) i et hydrodynamisk simulacrum af et sort hul uden for ligevægt, under hensyntagen til tidligere ignorerede faktorer. I nogle henseender, fænomenet, de studerede, ligner ringdown -processen i et egentligt astrofysisk sort hul, der genererer gravitationsbølger efter at være skabt af et sammenstød med to andre sorte huller.

"En omhyggelig analyse af ringdown -spektret afslører egenskaberne ved det sorte hul, såsom dens vinkelmoment og masse. I mere komplekse gravitationssystemer, spektret kan afhænge af flere parametre […] ", forfatterne skriver i artiklen offentliggjort i Physical Review Letters.

Vorticitet

Vorticitet overses af de enkleste modeller, men overvejes i denne undersøgelse. Det er et nøglekoncept inden for væskemekanik, der kvantificerer rotationen af ​​bestemte områder af et væske i bevægelse.

Hvis hvirveligheden er nul, regionen ledsager simpelthen væskens bevægelse. Imidlertid, hvis hvirvligheden ikke er nul, ud over at ledsage strømmen, den snurrer også rundt om sit eget massecenter.

"I de enklere modeller, Det antages generelt, at væskens vorticitet er lig med nul. Dette er en god tilnærmelse til områder af væsken, der er placeret i en afstand fra hvirvelen. For regioner tæt på afløbet, imidlertid, det er ikke en så god tilnærmelse, fordi i dette tilfælde bliver vorticitet stadig vigtigere. Så en af ​​de ting, vi gjorde i vores undersøgelse, var at inkorporere vorticitet, "Sagde Richartz.

Forskerne satte sig for at forstå, hvordan vorticitet påvirker bølgedæmpning under forplantning. Når et rigtigt sort hul forstyrres, det genererer gravitationsbølger, der svinger med en bestemt frekvens. Deres amplitude falder eksponentielt over tid. Sættet med dæmpede resonanser, der beskriver, hvordan det exciterede system drives tilbage til ligevægt, er teknisk karakteriseret ved et spektrum af kvasi-normale svingningsmetoder.

"I vores undersøgelse, vi undersøgte, hvordan vorticitet påvirkede kvasi-normale tilstande i den hydrodynamiske sorte hulanalog. Vores vigtigste fund var, at nogle svingninger forfaldt meget langsomt, eller med andre ord forblev aktiv i lang tid, og var placeret rumligt i nærheden af ​​afløbet. Disse svingninger var ikke længere kvasi-normale tilstande, men et andet mønster kendt som kvasi-bundne stater, "Sagde Richartz.

En fremtidig udvikling af forskningen vil indebære at producere disse kvasi-bundne tilstande eksperimentelt i laboratoriet.