Чорні діри - це області в просторі, де гравітація дуже сильна - настільки, що ніщо, що входить в них, не може вирватися назовні. Теоретичні передбачення передбачають, що існує радіус, що оточує чорні діри, відомий як горизонт подій. Як тільки щось проходить через горизонт подій, воно більше не може уникнути чорної діри, так як гравітація стає сильнішою по мірі наближення до її центру.
Фізик-теоретик Стівен Гокінг передбачив, що, хоча ніщо не може вирватися з них, чорні діри спонтанно випускають обмежену кількість світла, яке відоме як випромінювання Гокінга. Згідно з його прогнозами, це випромінювання спонтанно (тобто виникає з нічого) і стаціонарно (тобто його інтенсивність не сильно змінюється з часом).
Вчені з Ізраїльського технологічного інституту нещодавно провели дослідження, спрямоване на перевірку теоретичних передбачень Гокінга. Більш конкретно, вони досліджували, чи є еквівалент випромінювання Гокінга в «штучній чорній дірі», створеній в лабораторних умовах, стаціонарним.
«Якщо ви увійдете всередину горизонту подій, то не зможете вибратися звідти, це вірно навіть для світла», - сказав Джефф Штайнхауер, один з дослідників. - Випромінювання Гокінга починається відразу за горизонтом подій, де світло ледь може вирватися. Це дійсно дивно, тому що там нічого немає; це порожній простір. І все ж це випромінювання виходить з нічого, виходить назовні і прямує до Землі ".
Штучна чорна діра, створена Штайнхауером і його колегами, мала довжину близько 0,1 міліметра і складалася з газу, що складається з 8000 атомів рубідію, що є відносно невеликим числом атомів. Кожного разу, коли дослідники робили знімок, чорна діра руйнувалася. Щоб спостерігати її еволюцію в часі, вони повинні були створити чорну діру, сфотографувати її і потім створити іншу. Цей процес повторювався багато разів, протягом декількох місяців.
Випромінювання Гокінга, яке випускається цією аналоговою чорною дірою, складається зі звукових хвиль, а не світлових. Атоми рубідію рухаються швидше за швидкість звуку, тому звукові хвилі не можуть досягти горизонту подій і вирватися з чорної діри. Однак за межами горизонту подій газ тече повільно, тому звукові хвилі можуть вільно переміщатися.
«Рубідій тече швидко, швидше швидкості звуку, а це означає, що звук не може йти проти течії», - пояснив Штайнхауер. - Припустимо, ви намагаєтеся плисти проти течії. Якщо цей потік тече швидше, ніж ви можете плисти, то ви не можете рухатися вперед, ви йдете назад, тому що потік рухається занадто швидко і в протилежному напрямку, тому ви застрягли. Ось що означає застрягти в чорній дірі і спробувати досягти горизонту подій зсередини ".
Згідно з прогнозами Гокінга, випромінювання, яке випускають чорні діри, є спонтанним. В одному зі своїх попередніх досліджень вчені змогли підтвердити це передбачення у своїй штучній чорній дірі. У своєму новому дослідженні вони задалися метою з'ясувати, чи є випромінювання, яке випускається їхньою чорною дірою, також стаціонарним (тобто чи залишається воно постійним у часі).
«Передбачається, що чорна діра випромінює як чорне тіло, яке по суті є теплим об'єктом, що випускає постійне інфрачервоне випромінювання (тобто випромінювання чорного тіла)», - сказав Джефф Штайнхауер. Хокінг припустив, що чорні діри схожі на звичайні зірки, які постійно випромінюють певний тип випромінювання. Це те, що ми хотіли підтвердити в нашому дослідженні, і ми це зробили.
Випромінювання Гокінга складається з пар фотонів (тобто частинок світу): один виходить з чорної діри, а інший падає назад у неї. Намагаючись ідентифікувати випромінювання Гокінга, що випускається аналоговою чорною дірою, яку вони створили, вчені шукали схожі пари звукових хвиль, одна з яких виходила з чорної діри, а інша рухалася в неї. Визначивши ці пари звукових хвиль, дослідники спробували визначити, чи існують між ними так звані кореляції.
«Нам довелося зібрати багато даних, щоб побачити ці кореляції», - сказав Джефф Штайнхауер. "Таким чином, ми зробили 97 000 повторень експерименту; загалом 124 дні безперервного виміру ".
Загалом отримані результати, мабуть, підтверджують, що випромінювання, яке випускають чорні діри, є стаціонарним, як і передбачав Гокінг. Хоча ці результати застосовні насамперед до аналогової чорної діри, яку створили штучно, теоретичні дослідження можуть допомогти підтвердити, чи можуть вони також бути застосовані до реальних чорних дір.
«Наше дослідження також порушує важливі питання, тому що ми спостерігали все життя аналогової чорної діри, а це означає, що ми також бачили, як почалося випромінювання Хокінга», - сказав Джефф Штайнхауер. «У майбутніх дослідженнях можна було б спробувати порівняти наші результати з передбаченнями того, що станеться в реальній чорній дірі, щоб побачити, чи починається» реальне «випромінювання Гокінга з нічого, а потім накопичується, як ми спостерігали».
У якийсь момент під час експериментів дослідників випромінювання, що оточує їх аналог чорної діри, стало дуже сильним, оскільки чорна діра утворила те, що відомо як «внутрішній горизонт». На додаток до горизонту подій загальна теорія відносності Ейнштейна пророкує існування внутрішнього горизонту, радіуса всередині чорних дір, який окреслює подальшу область ближче до її центру.
В області внутрішнього горизонту гравітаційне тяжіння набагато нижче, тому об'єкти можуть вільно переміщатися і більше не притягуються до центру чорної діри. Однак вони все ще не можуть покинути чорну діру, оскільки не можуть пройти через внутрішній горизонт в протилежному напрямку (тобто попрямувати до горизонту подій).
«По суті, горизонт подій - це зовнішня сфера чорної діри, а всередині неї є невелика сфера, звана внутрішнім горизонтом», - сказав Джефф Штайнхауер. - Якщо ви пройдете через внутрішній горизонт, то ви все ще будете перебувати в чорній дірі, але, принаймні, ви не відчуєте дивної фізики перебування в чорній дірі. Ви опинитеся в більш «нормальному» середовищі, оскільки тяжіння гравітації буде нижче, так що ви більше не будете його відчувати.
Деякі фізики передбачали, що коли аналогова чорна діра утворює внутрішній горизонт, випромінювання, яке вона випускає, стає сильнішим. Цікаво, що саме це і сталося в аналоговій чорній дірі, створеній вченими. Таким чином, це дослідження могло б надихнути інших фізиків на вивчення впливу освіти внутрішнього горизонту на інтенсивність випромінювання Гокінга.