Dr. Stephen Hawking je leta 1974 podal motečo teorijo, ki trdi, da črne luknje izhlapevajo. Zdaj, 40 let kasneje, je raziskovalec napovedal ustvarjanje simulacije Hawkingovega sevanja v laboratorijskih razmerah.
Možnost črne luknje je izhajala iz Einsteinove teorije splošne relativnosti. Karl Schwarzchild leta 1916 je prvi spoznal možnost gravitacijske singularnosti z mejo, ki jo obdaja, pri kateri svetloba ali snov ne moreta ubežati.
Ta mesec Jeff Steinhauer z Tehniškega inštituta v Izraelu v svojem prispevku opisuje "Opazovanje samoojačevalnega Hawkingovega sevanja v analognem laserju s črno luknjo" v reviji Nature, kako je ustvaril analogno obzorje dogodkov s pomočjo snovi ohlajena na skoraj absolutno ničlo in z uporabo laserjev je zaznala emisijo Hawkingovega sevanja. Je to lahko prvi veljavni dokaz obstoja Hawkingovega sevanja in posledično zapečati usodo vseh črnih lukenj?
To ni prvi poskus izdelave Hawkingovega analoga sevanja v laboratoriju. Leta 2010 je bil izdelan analog iz steklenega bloka, laserja, ogledal in ohlajenega detektorja (Phys. Rev. Letter, september 2010); brez ogledala ni spremljal dima. Ultra kratek impulz intenzivne laserske svetlobe, ki prehaja skozi steklo, je sprožil refrakcijsko indeksno vznemirjenje (RIP), ki je delovalo kot horizont dogodkov. Videla je svetloba, ki oddaja iz OPP. Kljub temu pa so rezultati F. Belgiorno et al. ostajajo sporni. Še vedno je bilo zagotovljenih več poskusov.
Pri zadnjem poskusu kopiranja Hawkingovega sevanja s strani Steinhauerja je pristop bolj visokotehnološki. Ustvari Bose-Einsteinov kondenzat, eksotično stanje snovi pri zelo blizu absolutne ničelne temperature. Meje, ustvarjene znotraj kondenzata, so delovale kot obzorje dogodkov. Preden se lotimo nadaljnjih podrobnosti, pa storimo korak nazaj in razmislimo, kaj poskušajo ponoviti Steinhauer in drugi.
Recept za izdelavo Hawkingovega sevanja se začne s črno luknjo. Črna luknja velikosti bo resnična. Hawkingova teorija pravi, da se bodo manjše črne luknje hitreje izžarevale kot večje in če v njih ne bo padla snov - kopičenje, bodo "izhlapele" veliko hitreje. Ogromne črne luknje lahko trajajo več kot milijonkrat večjo sedanjo dobo vesolja, da izhlapi s pomočjo Hawkingovega sevanja. Tako kot pnevmatika s počasnim puščanjem bi vas večina črnih lukenj pripeljala do najbližjega popravljalnega mesta.
Torej imaš črno luknjo. Ima obzorje dogodkov. To obzorje je znano tudi kot Schwarzchildov polmer; preverjanje svetlobe ali snovi v obzorju dogodkov se ne more nikoli preveriti. Ali tako je bilo to sprejeto razumevanje, dokler ga teorija dr. Hawkinga ni potrdila. In zunaj obzorja dogodkov je navaden prostor z nekaj opozorili; razmislite o dodanih začimbah. Na obzorju dogodkov je sila gravitacije iz črne luknje tako ekstremna, da povzroča in povečuje kvantne učinke.
Ves vesolje - znotraj nas in okoli nas do koncev Vesolja vključuje kvantni vakuum. Povsod v vesoljskem kvantnem vakuumu se navidezni pari delcev pojavljajo in izginjajo; takoj izničimo drug drugega na izjemno kratkem času. Z ekstremnimi pogoji na obzorju dogodkov se navidezni pari delcev in delcev, kot sta elektron in pozitron, uresničujejo. Pri tistih, ki so videti dovolj blizu obzorja dogodka, je lahko en ali drug navidezni delček zaprt zaradi gravitacije črnih lukenj, pri čemer ostane samo en delček, ki je zdaj prost, da lahko doda sevanje, ki izhaja iz črne luknje; sevanje, ki je v celoti tisto, kar astronomi lahko uporabijo za odkrivanje prisotnosti črne luknje, ne pa da bi ga opazovali neposredno. Je odpovedovanje virtualnih delcev s črno luknjo na njenem obzorju dogodkov, ki povzroča Hawkingovega sevanja, kar samo po sebi predstavlja neto izgubo mase iz črne luknje.
Zakaj torej astronomi ne iščejo v vesolju Hawkingovega sevanja? Težava je v tem, da je sevanje zelo šibko in ga preplavijo sevanja, ki jih proizvajajo številni drugi fizikalni procesi, ki obkrožajo črno luknjo z navojnim diskom. Sevanje utaplja zbor energijskih procesov. Najpomembnejša možnost je torej ponovitev Hawkingovega sevanja z analogom. Medtem ko je Hawkingovo sevanje v primerjavi z maso in energijo črne luknje šibko, je sevanje v vesolju ves čas v vesolju, da se odcepi od matičnega telesa.
Tu je konvergenca naraščajočega razumevanja črnih lukenj privedla do seminarskega dela dr. Hawkinga. Teoretiki, vključno s Hawkingom, so spoznali, da se kljub kvantni in gravitacijski teoriji, ki je potrebna za opis črne luknje, tudi črne luknje obnašajo kot črna telesa. Ureja jih termodinamika in so entropiji sužnji. Proizvodnjo Hawkingovega sevanja lahko označimo kot termodinamični proces in to nas vodi k eksperimentalcem. Za ponovitev emisije te vrste sevanja bi lahko uporabili druge termodinamične procese.
Z uporabo Bose-Einsteinovega kondenzata v posodi je Steinhauer usmeril laserske žarke v občutljiv kondenzat, da je ustvaril obzorje dogodkov. Poleg tega njegov eksperiment ustvarja zvočne valove, ki se ujamejo med dve meji, ki določata obzorje dogodka. Steinhauer je ugotovil, da so zvočni valovi na njegovem analognem obzorju dogodkov ojačani, kot se dogaja s svetlobo v skupni laserski votlini, ampak tudi, kot je napovedala teorija črnih lukenj dr. Hawkinga. Svetloba uhaja iz laserja, ki je prisoten na analognem dogodku. Steinhauer razloži, da ta uhajajoča svetloba predstavlja dolgo iskano Hawkingovo sevanje.
Objava tega dela v Naravi je bila podvržena precejšnjemu strokovnemu pregledu, vendar samo to ne potrjuje njegovih ugotovitev. Steinhauerjevo delo bo zdaj zdržalo še večji nadzor. Drugi bodo njegovo delo poskušali podvojiti. Njegova laboratorijska postavitev je analogna in še vedno je treba preveriti, kaj to, kar opazuje, resnično predstavlja Hawkingovo sevanje.
Reference:
"Opazovanje samoojačevalnega Hawkingovega sevanja v analognem laserju s črno luknjo", Nature Physics, 12. oktober 2014
"Hawkingova sevanja iz ultrasortnih laserskih impulznih filamentov", F. Belgiorno in sod., Phys. Pismo, september 2010
"Eksplozije črne luknje?", S. W. Hawking in sod., Narava, 1. marec 1974
"Kvantna mehanika črnih lukenj", S. Hawking, Scientific American, januar 1977
