Единственное, что мы все «знаем» о черных дырах, — это то, что ничто не может избежать их неумолимой хватки.
Это по большей части правда, но с 1970-х годов физики предсказывают, что черные дыры могут медленно терять энергию в виде теплового излучения.
Это излучение Хокинга, и хотя оно было воссоздано в лабораторных аналогах, механизм, с помощью которого оно отводит энергию от черной дыры, известный как обратная реакция, оставался неуловимым.
Теперь в аналоге черной дыры, созданном из — по иронии судьбы — света, команда физиков под руководством Лоренцо Прокопио из Падерборнского университета в Германии наблюдала аналог обратной реакции излучения Хокинга.
Их результаты опубликованы в журнале Nature.
«Это упрощает теоретическое понимание и открывает новые способы расчета эффектов в таких системах, — говорит Прокопио. — Это может даже пролить свет на то, как возникает излучение Хокинга в контексте гравитации».
Черные дыры — самые странные и экстремальные объекты во Вселенной.
Они настолько невероятно плотные, что, оказавшись достаточно близко, невозможно избежать их гравитационного притяжения.
Представьте ракету, покидающую Землю. Ей нужно достичь определенной скорости, известной как скорость убегания (вторая космическая скорость), чтобы вырваться из гравитации планеты.
У черной дыры ничто во Вселенной не может достичь скорости убегания, даже свет. Расстояние от центра черной дыры, которое отмечает точку, за которой свет больше не может вырваться, называется горизонтом событий.
Излучение Хокинга, впервые предложенное физиком Стивеном Хокингом в 1974 году, представляет собой излучение абсолютно черного тела, которое, как предсказывается, возникает из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий черной дыры.
Однако, хотя излучение Хокинга является надежным и широко признанным предсказанием квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени, вопрос о том, как именно энергия передается от черной дыры излучению, остается открытым.
Главная проблема — та же, что и всегда с черными дырами: прямое наблюдение излучения Хокинга в настоящее время невозможно. Фактически, ожидается, что сигнал будет настолько слабым, что мы, возможно, никогда не сможем отделить его от фонового излучения, пронизывающего Вселенную.
Здесь физики проявляют изобретательность.
Вместо непосредственного изучения черных дыр они создают лабораторные системы, которые подчиняются тем же фундаментальным законам физики.
Некоторые из них удивительно просты, например, вода, закручивающаяся в сливе, имитирующая течение пространства-времени вокруг черной дыры. Другие используют сверххолодные конденсаты Бозе-Эйнштейна или цепочки атомов для воссоздания физики горизонта событий.
Аналог, использованный в этом исследовании, был разработан более десяти лет назад соавтором исследования Ульфом Леонхардтом из Института Вейцмана в Израиле.
В нем используются сверхбыстрые лазерные импульсы, проходящие через специально структурированное оптическое волокно. Один импульс изменяет оптические свойства волокна ровно настолько, чтобы создать аналог горизонта событий для второго импульса.
Предыдущие эксперименты с этой установкой воссоздавали само излучение Хокинга. На этот раз исследователи искали нечто более тонкое — крошечную обратную реакцию, которая показывает, как энергия передается от аналога черной дыры к испускаемому ею излучению.
Чтобы понять обратную реакцию, возможно, стоит на секунду вспомнить Ньютона.
Представьте, что вы и ваш друг стоите на роликовых коньках. Если вы оттолкнете своего друга, он покатится вперед, но и вы покатитесь назад. Каждое действие имеет противодействие — третий закон движения Ньютона.
Обратная реакция — это аналог такой отдачи для черной дыры. Поскольку излучение Хокинга уносит энергию, система, создавшая его, должна отдать эквивалентное количество энергии. Обнаружение этой крошечной потери энергии и было целью исследователей.
Когда исследователи посылали лазерные импульсы через оптическое волокно, они смотрели не на «убегающего друга». Они искали эффект толчка на толкающего — крошечный сдвиг в лазерном импульсе, который генерировал аналог излучения Хокинга.
Они нашли его — и вот тут появился сюрприз.
Ранее физики полагали, что излучение Хокинга, наблюдаемое в аналогах черных дыр, возникает в результате сложного каскада оптических взаимодействий. Вместо этого новые результаты указывают на единый прямой процесс, который естественным образом объясняет как излучение, так и обратную реакцию.
«Наш эксперимент и лежащая в его основе теория показывают, что излучение Хокинга является результатом прямого процесса, если взаимодействие между излучением и эквивалентом гравитационного поля является биквадратичным», — пишут исследователи в своей статье.
«Возможно, астрофизические черные дыры излучают в результате такого же простого и прямого процесса, как наш. Результирующая обратная реакция описывала бы в микроскопических деталях, как черные дыры испаряются».
Наблюдение того же процесса вокруг реальной черной дыры, вероятно, останется невозможным в обозримом будущем.
Связанное: Ученые, возможно, обнаружили первую сигнатуру горизонта событий черной дыры
Но если этот механизм проявится в других видах аналогов черных дыр, это укрепит аргументы в пользу того, что исследователи идентифицировали нечто фундаментальное в самом излучении Хокинга.
Если это так, это может помочь разрешить некоторые из самых сложных проблем в теоретической физике черных дыр.
«Все это может пролить свет на информационный парадокс, — пишут исследователи, — проблему, с которой Хокинг боролся до самой своей последней статьи 2018 года».
Новая статья опубликована в журнале Nature.
Эта статья была проверена фактчекерами Джесс Кокерилл и отредактирована Майклом Ирвингом. Хотя мы гордимся нашим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, пожалуйста, сообщите нам.
Истории ScienceAlert написаны, проверены и отредактированы людьми, никогда не создавались ИИ. Не пропустите ни одной истории, подпишитесь здесь.
Физики создали экзотическую новую форму материи: «Море Ферми»
Физики обнаружили сверхпроводящие состояния, которые усиливаются в условиях, призванных их уничтожить
Призрачное свечение атомной электростанции было обнаружено в воде на расстоянии 150 миль