Модель черной дыры, которая улавливает звук вместо света, была поймана за излучением квантовых частиц, которые посчитали аналогом теоретического излучения Хокинга. Этот эффект был впервые продемонстрирован в лабораторных условиях, сообщает Phys.org, — и, возможно, от реальных черных дыр можно ожидать того же.

Черные дыры — это сверхплотные концентрации вещества, которые остаются после разрушения звезды или другого массивного тела. Их гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может покинуть границу черной дыры — так называемый горизонт событий.

Учитывая это, физики ожидали, что черные дыры, конечно, будут черными. Но в 1974 году Стивен Хокинг из Кембриджского университета предсказал, что они должны испускать слабый свет из частиц — излучение Хокинга.

Странность квантовой теории заключается в том, что вакуум космоса на самом деле не пуст, а насыщен парами частиц и их антиматериальных коллег. Как правило, эти пары уничтожают друг друга и исчезают. Но если одна попадает внутрь горизонта событий черной дыры, другая вольна убежать и становится наблюдаемой в качестве излучения Хокинга.

Свечение от настоящих черных дыр должно быть слишком слабым, чтобы его можно было увидеть и тем самым подтвердить предсказания Хокинга. Поэтому физики создали искусственные черные дыры, которые имитируют горизонт событий.

Новые горизонты

В 2010 году группа ученых под руководством Франческо Бельжорно из Университета Милана создала модель черной дыры, горизонт которой захватывал фотоны с помощью лазерных импульсов в оптоволоконном кабеле. Команда утверждала, что в процессе эксперимента наблюдалось излучение Хокинга, но другие ученые усомнились в том, что его физика соответствует реальному горизонту событий черной дыры.

Квантово-механическая жидкость могла бы в точности сымитировать точную физику горизонта событий черной дыры, хотя и в гораздо меньших масштабах. В 2009 году Джефф Штейнхауэр из Техниона — Израильского технологического института в Хайфе и его коллеги сделали именно такую модель черной дыры с помощью конденсата Бозе-Эйнштейна, квантового состояния материи, в котором скопление сверххолодных атомов ведет себя как один атом.

Теперь команда утверждает, что их черная дыра произвела именно то излучение Хокинга, которое предполагается у настоящей черной дыры. «Это говорит нам о том, что идея Хокинга на самом деле работает, — говорит Штейнхауэр. — Черная дыра действительно должна испускать излучение Хокинга».

Лазер черной дыры

Команда использовала один лазер, чтобы сконцентрировать конденсат Бозе-Эйнштейна в узкой трубе, и еще один, чтобы разогнать его до скорости звука. Быстрый поток создал два горизонта: «внешний» — в точке, где поток стал сверхзвуковым, и «внутренний», где поток снова замедлился.

Эффект Хокинга пришел из квантового шума на горизонте, говорит Уильям Унру из Университета Британской Колумбии в Канаде, который одним из первых предложил аналоги черных дыр на основе жидкости. Горизонты создают пары частиц звука, или фононов. Один фонон покидает горизонт, а другой остается в ловушке.

Один фонон слишком слаб, чтобы за ним можно было наблюдать, но фононы внутри черной дыры снуют туда и обратно между внутренним и внешним горизонтами, порождая больше и больше фононов Хокинга каждый раз, почти так же, как лазер усиливает свет. Физики называют этот эффект «лазером черной дыры».

«Излучение Хокинга растет экспоненциально, усиливается само по себе, — говорит Штейнхауэр. — Это позволяет мне наблюдать за ним, поскольку амплитуда растет». В будущем ученый надеется улучшить свои детекторы, чтобы наблюдать за излучением одного горизонта, что, в свою очередь, поможет определить, запутываются ли пары фононов. Это еще одна прогнозируемая особенность настоящих черных дыр, у которой могут быть определенные огненные последствия.

Все течет, все меняется

«Эта работа весьма впечатляет, — говорит Даниэль Фаччио из Университета Гериота-Ватта в Эдинбурге, который был в команде, сделавшей черную дыру на оптоволоконной основе. Хотя он и выдвигает свою работу как первую, которая показала, что излучение Хокинга можно измерить, он признает наглядность работы Штейнхауэра. — Эта работа подняла планку, и теперь мы видим, можно сказать, первое ясное свидетельство эффектов Хокинга и квантового вакуума. Думаю, эта работа на самом деле изменит правила игры».

Унру менее позитивен в своих утверждениях: «Я бы не сказал, что дело в шляпе, но оно явно ближе к этому, чем остальные. Совершенно очевидно, что черные дыры отличаются от текущего конденсата Бозе-Эйнштейна, и эффект, возникающий в последнем случае, не доказывает, что это произойдет и в черных дырах. Тем не менее вероятность этого растет. Математика и результаты слишком похожи, чтобы быть простым совпадением».