Forskere observerer stationær Hawking -stråling i et analogt sort hul

Sorte huller er områder i rummet, hvor tyngdekraften er meget stærk - så stærk, at intet, der kommer ind i dem, kan slippe ud, inklusive lys. Teoretiske forudsigelser tyder på, at der er en radius omkring sorte huller kendt som begivenhedshorisonten. Når noget passerer begivenhedshorisonten, den kan ikke længere undslippe et sort hul, efterhånden som tyngdekraften bliver stærkere, når den nærmer sig sit centrum.

Teoretisk fysiker Stephen Hawking forudsagde, at selvom intet kan flygte inde fra dem, sorte huller udsender spontant en begrænset mængde lys, som er kendt som Hawking-stråling. Ifølge hans forudsigelser, denne stråling er spontan (dvs. det opstår af ingenting) og stationært (dvs. dens intensitet ændrer sig ikke meget over tid).

Forskere ved Technion-Israel Institute of Technology har for nylig udført en undersøgelse, der har til formål at teste Hawkings teoretiske forudsigelser. Mere specifikt, de undersøgte, om ækvivalenten til Hawking-stråling i et "kunstigt sort hul" skabt i et laboratoriemiljø var stationært.

"Hvis du går inden for begivenhedshorisonten, der er ingen måde at komme ud, selv for lys, "Jeff Steinhauer, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Hawking-stråling starter lige uden for begivenhedshorisonten, hvor lyset næsten ikke kan slippe ud. Det er virkelig underligt, fordi der ikke er noget der; det er tom plads. Alligevel starter denne stråling fra ingenting, kommer ud, og går mod Jorden. "

Det kunstige sorte hul skabt af Steinhauer og hans kolleger var cirka 0,1 millimeter langt og var lavet af en gas bestående af 8000 rubidiumatomer, hvilket er et relativt lavt antal atomer. Hver gang forskerne tog et billede af det, det sorte hul blev ødelagt. For at observere dens udvikling over tid, de måtte derfor producere det sorte hul, tage et billede af det og derefter oprette et andet. Denne proces blev gentaget mange gange, i måneder.

Hawking-strålingen, der udsendes af dette analoge sorte hul, er lavet af lydbølger, frem for lysbølger. Rubidiumatomerne flyder hurtigere end lydens hastighed, så lydbølger kan ikke nå begivenhedshorisonten og flygte fra det sorte hul. Uden for begivenhedshorisonten, imidlertid, gassen flyder langsomt, så lydbølger kan bevæge sig frit.

"Rubidium flyder hurtigt, hurtigere end lydens hastighed, og det betyder, at lyd ikke kan gå imod strømmen, Steinhauer forklarede. "Lad os sige, at du prøvede at svømme mod strømmen. Hvis denne strøm går hurtigere, end du kan svømme, så kan du ikke komme videre du bliver skubbet tilbage, fordi flowet bevæger sig for hurtigt og i den modsatte retning, så du sidder fast. Sådan ville det være at sidde fast i et sort hul og prøve at nå begivenhedshorisonten indefra."

Ifølge Hawkings forudsigelser, strålingen fra sorte huller er spontan. I et af deres tidligere studier, Steinhauer og hans kolleger var i stand til at bekræfte denne forudsigelse i deres kunstige sorte hul. I deres nye undersøgelse, de satte sig for at undersøge, om den stråling, der udsendes af deres sorte hul, også er stationær (dvs. hvis den forbliver konstant over tid).

"Et sort hul formodes at udstråle som et sort legeme, som i det væsentlige er et varmt objekt, der udsender en konstant infrarød stråling (dvs. sort kropsstråling), "Sagde Steinhauer." Hawking foreslog, at sorte huller er ligesom almindelige stjerner, som udstråler en bestemt type stråling hele tiden, konstant. Det var det, vi ønskede at bekræfte i vores undersøgelse, og det gjorde vi."

Hawking-stråling er sammensat af par af fotoner (dvs. lyspartikler):en kommer ud af et sort hul og en anden falder tilbage i det. Når man forsøger at identificere Hawking-strålingen udsendt af det analoge sorte hul, de skabte, Steinhauer og hans kolleger ledte således efter lignende par af lydbølger, en kommer ud af det sorte hul og en bevæger sig ind i det. Når de identificerede disse par af lydbølger, forskerne forsøgte at afgøre, om der var såkaldte sammenhænge mellem dem.

"Vi var nødt til at indsamle en masse data for at se disse sammenhænge, " sagde Steinhauer. "Vi tog således 97, 000 gentagelser af eksperimentet; i alt 124 dages kontinuerlig måling. "

Samlet set, resultaterne ser ud til at bekræfte, at strålingen udsendt af sorte huller er stationær, som forudsagt af Hawking. Selvom disse fund primært gælder for det analoge sorte hul, de skabte, teoretiske undersøgelser kunne være med til at bekræfte, om de også kan anvendes på rigtige sorte huller.

"Vores undersøgelse rejser også vigtige spørgsmål, fordi vi observerede hele det analoge sorte huls levetid, hvilket betyder, at vi også så, hvordan Hawking-strålingen startede, " sagde Steinhauer. "I fremtidige undersøgelser, man kunne prøve at sammenligne vores resultater med forudsigelser om, hvad der ville ske i et rigtigt sort hul, for at se, om 'rigtig' Hawking-stråling starter fra ingenting og derefter opbygges, som vi observerede."

På et tidspunkt under forskernes eksperimenter, strålingen omkring deres analoge sorte hul blev meget stærk, da det sorte hul dannede det, der er kendt som en 'indre horisont." Ud over begivenhedshorisonten, Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger eksistensen af ​​en indre horisont, en radius inde i sorte huller, der afgrænser et yderligere område tættere på dets centrum.

I området inden for den indre horisont er tyngdekraften langt lavere, således er genstande i stand til at bevæge sig frit rundt og trækkes ikke længere mod midten af ​​det sorte hul. Alligevel er de stadig ude af stand til at forlade det sorte hul, da de ikke kan passere gennem den indre horisont i den modsatte retning (dvs. på vej mod begivenhedshorisonten).

"I bund og grund, begivenhedshorisonten er et sort huls ydre sfære, og inde i den, der er en lille kugle kaldet den indre horisont, " sagde Steinhauer. "Hvis du falder gennem den indre horisont, så sidder du stadig fast i det sorte hul, men du føler i det mindste ikke den underlige fysik ved at være i et sort hul. Du ville være i et mere "normalt" miljø, da tyngdekraften ville være lavere, så du ikke ville mærke det mere."

Nogle fysikere har forudsagt, at når et analogt sort hul danner en indre horisont, strålingen, den udsender, bliver stærkere. Interessant nok, det er præcis, hvad der skete i det analoge sorte hul skabt af forskerne ved Technion. Denne undersøgelse kan således inspirere andre fysikere til at undersøge effekten af ​​dannelsen af ​​en indre horisont på intensiteten af ​​et sort hulls Hawking -stråling.

© 2021 Science X Network