Искусственная черная дыра: Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?

Ученые Техниона создали «черную дыру»

Тем самым они подтвердили правоту выдающегося британского ученого Стивена Хокинга, который еще несколько десятилетий назад создал теорию излучения, а точнее, испарения «черных дыр» – black hole evaporation.

До Хокинга в рамках классической, не квантовой теории, считалось, что черная дыра не может ничего излучать, поскольку ее гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

Одной из самых смелых гипотез Стивена Хокинга стало предположение, что черные дыры все же испускают некоторое излучение, несмотря на мощную гравитацию, которая поглощает все, даже свет. Согласно учению Хокинга, которое основывается на квантовой теории, испарение частиц происходит рядом с так называемым горизонтом событий. Этим термином обозначается граница черной дыры. Рядом с ней из вакуума постоянно образуются пары разнозаряженных частиц – фотонов.

Одна из частиц пары обладает положительной энергией, а другая – отрицательной. Когда подобные пары появляются рядом с горизонтом событий черной дыры, происходит поглощение одной из частиц, а ее «пара» испаряется, то есть улетает наружу. Таким образом появляется тепловое излучение.

Этот эффект можно проследить у горизонта событий относительно малых по массе черных дыр. Чем меньше масса черной дыры, тем выше температура и скорость испарения. Таким образом легкие черные дыры имеют относительно меньший срок жизни, и, по гипотезе Хокинга могут и вовсе потерять свою массу и просто-напросто «испариться». Впрочем, этот процесс должен занять поистине астрономический отрезок времени, сопоставимый со сроком жизни Вселенной.

Сам Хокинг называл черные дыры порталами в другие Вселенные. Если кому-либо удастся оказаться у горизонта событий и быть затянутым в черную дыру, этот тоннель может оказаться переходом в другие миры. Проверить это утверждение экспериментальным путем вряд ли удастся в обозримом будущем, а вот изучить тепловое излучение черных дыр оказалось под силу ученым Техниона.

Команда исследователей физического факультета Техниона под руководством профессора Джеффа Штайнхауэра создала искусственную черную дыру, в которой звук выполняет функцию света. Разработав метод измерения спектра излучения Хокинга, они обнаружили, что искусственные черные дыры излучают тепло, как обычный горячий объект. Таким образом подтвердились предположения Хокинга и еще одного исследователя – израильского ученого профессора-астрофизика Яакова Бекенштейна, который еще в 1972 году определил температурные границы излучения черных дыр.

Результаты исследования команды профессора Штайнхауэра были опубликованы два месяца назад в журнале Nature.

Вот как описывает эксперимент лаборатории Штайнхауэра технологическая платформа wfoojjaec.eu.org:

«Поскольку «сигнал» от излучения Хокинга очень мал, нам не хватает технологии для его измерения вокруг настоящей черной дыры. Команда из Израильского технологического института (Технион) обратилась к аналогу чёрной дыры, что является очень новой концепцией, впервые продемонстрированной в 2009 году. Вместо того, чтобы притягивать свет с интенсивной гравитацией, аналог представляет собой конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC) ультра-холодные атомы рубидия, которые движутся быстрее скорости звука. Таким образом, он создает «горизонт событий» для звука.

В эксперименте команда использовала пары дополнительных звуковых волн, чтобы заменить виртуальные частицы. Одна из волн прошла мимо звукового горизонта событий, а другая отодвинулась. Команда смогла измерить излучение системы, подтвердив, что ее температура определяется только скоростью звука и расходом. Он излучал непрерывный спектр длин волн, который соответствует теориям Хокинга о поведении черной дыры.

Это второй эксперимент Техниона, демонстрирующий излучение Хокинга таким способом. Новый эксперимент содержит гораздо более чувствительные инструменты, добавляя больше поддержки теории. Следующим шагом является повторение эксперимента для отслеживания изменений в BEC с течением времени. Однажды мы можем даже применить полученные уроки для изучения настоящих черных дыр».

Впервые теория черных дыр (тогда они назывались «черными зведами») была сформулирована в трудах кембриджского ученого Джона Мичелла еще в 1783 году. Он рассматривал свою гипотезу на примере пушки, из которой вылетает ядро в строго вертикальном направлении. В какой-то момент на ядро начнет действовать сила гравитации, и оно должно начать падать вниз. Но если первоначальная скорость окажется выше определенного критического значения (скорости убегания), то ядро не вернется. Гипотеза, объясненная на примере ядра, оказалась верна для световых частиц. Скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, поэтому частицы света могут с легкостью покидать не только нашу планету, но и Солнце, свет которого отчетливо виден не только с Земли, но и из космоса. Во Вселенной существуют звезды-гиганты, обладающие гравитационным полем такой силы, что оно не позволяет фотонам света покидать их пределы. Получается, что испускаемый ими свет притягивается обратно, и «звезды» становятся темными, недоступными для наблюдения.

Исследование черных дыр вышло на новый уровень благодаря теории относительности Эйнштейна, которая была окончательно сформулирована в 1915 году. Тем не менее полного описания черных дыр пришлось ждать еще не менее полувека. В конце 60-х годов прошлого века на основании новых знаний о ходе коллапса массивных звезд ученым всего мира удалось прийти к единому мнению о возможности существования черных дыр в большинстве известных галактик.

Как уже говорилось выше, в 1972 году Яаков Бекенштейн предположил, что черные дыры должны иметь чётко определённую энтропию, пропорциональную площади её поверхности. Он же сформулировал обобщённый второй закон термодинамики, в том числе, для систем черных дыр. Спустя два года оба эти предположения подтвердил Стивен Хокинг.

После прорыва, совершенного учеными в 70-е, появилась идея о возможности создания искусственной черной дыры, которую можно было бы использовать в качестве модели для измерения параметров излучения Хокинга. Но только в наши дни подобная модель была создана в Технионе, где наконец были разработаны методы измерения температуры и спектра излучения Хокинга.

«Наша искусственная черная дыра подтверждает тепловую природу излучения Хокинга, – заявил глава исследовательской группы профессор Джефф Штайнхауэр. – Мы также обнаружили, что температура определяется искусственной гравитацией на поверхности искусственной черной дыры в соответствии с предсказаниями Хокинга».

Группа Штайнхауэра изучала феномен излучения в течение десяти лет. Их целью было не только создание модели черной дыры, но и разработка методов прогнозов Хокинга. Эсперимент был повторен 7 400 раз, при этом каждому «прогону» присваивался другой профиль плотности, на основании которых вычислялись средние значения.

Успех исследователей Техниона – это еще один существенный шаг к пониманию природы черных дыр, одного из самых загадочных и наименее понятных пока секретов Вселенной.

Вера Рыжикова

Почему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН

https://ria.ru/20191028/1560166492.html

Почему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН

Почему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН — РИА Новости, 28. 10.2019

Почему искусственная черная дыра не поглотит мир: правда и мифы о ЦЕРН

Вокруг деятельности ЦЕРН ходят слухи и легенды. Какие технологии созданы благодаря ему? К чему привело открытие «Частицы бога»? Не уничтожит ли столкновение… РИА Новости, 28.10.2019

2019-10-28T09:00

2019-10-28T09:00

2019-10-28T11:46

наука

национальный исследовательский ядерный университет «мифи»

навигатор абитуриента

университетская наука

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/148736/98/1487369807_0:0:1042:586_1920x0_80_0_0_5d6f72924b480197c17f3b8564337788.jpg

Вокруг деятельности ЦЕРН ходят слухи и легенды. Какие технологии созданы благодаря ему? К чему привело открытие «Частицы бога»? Не уничтожит ли столкновение частиц в Большом адронном коллайдере нашу планету — в материале РИА Новости.К новой физике — почти со скоростью светаС появлением теории относительности в физике началась эпоха многообразия фундаментальных моделей, объединить которые в единую систему не удается по сей день. Сегодня самые точные данные об устройстве материи производит физика высоких энергий. Она изучает процессы рождения фундаментальных частиц в столкновениях протонов и ядер, разогнанных до скоростей крайне близких к скорости света. Это позволяет проверять теоретические прогнозы и находить новые агрегатные состояния частиц.Стандартная модель, сформированная к 60-м годам, представляет собою комплекс теорий физики частиц, объясняющих большинство, однако, не все фундаментальные явления — например, она не объясняет гравитацию. Для уточнения этой модели и был создан Большой адронный коллайдер (БАК).БАК представляет собою кольцеобразный тоннель на стометровой глубине с длиной окружности 27 км, внутри которого более 1200 сверхпроводящих магнитов разгоняют частицы для столкновения на скорости 0,99999999 скорости света. Кроме него, в ЦЕРН работают еще шесть ускорителей и ряд детекторов, регистрирующих результат столкновений частиц. Информация, производимая детекторами, исчисляется десятками петабайт (т. е. десятками миллионов гигабайт) в месяц, а на ее анализ уходит иногда не один год работы ученых. Данные, производимые лабораториями центра, обрабатываются многоуровневой сетью, узлы которой находятся в университетах и научных центрах 40 стран мира, включая Россию.Открытие в 2012 году бозона Хиггса стало финалом грандиозной работы по подтверждению Стандартной модели. Сегодня на базе ЦЕРН развернут целый ряд параллельных экспериментальных программ, посвященных как проверке точности предсказаний Стандартной модели, так и поиску проявлений «новой физики». Дальнейшее исследование бозона Хиггса даст возможность изучать феномены за рамками Стандартной модели. Наибольший интерес ученых вызывают такие явления, как темная материя и темная энергия, а также асимметрия материи и анти-материи.Горнило новых технологий»Невозможно знать наверняка направление научного поиска, которое приведет нас к новым технологиям, поэтому только исследование фундаментальных проблем, которое предполагает преодоление границ возможного в настоящий момент, может гарантировать развитие прикладной науки», — объяснил профессор НИЯУ МИФИ, участник коллаборации ATLAS Анатолий Романюк. Необходимость обработки огромного объема данных сделала ЦЕРН одним из центров развития компьютерных технологий. Кроме «Всемирной паутины», созданной там в 1989 году для удобства исследователей, центр также оказал большое влияние на технологию распределенных вычислений. Предметом особой гордости ученых являются разработки по уменьшению физических размеров ускорителей. Миниатюрные ускорители уже сейчас активно используются для сканирования внутренней структуры объектов — например, в медицине или экспертизе искусства.Связанные с этим технологии визуализации также развиваются на базе ЦЕРН. Коллаборация Medipix адаптирует для применения в диагностике технологию, служившую для наблюдения за столкновениями частиц. Разрабатывается уже четвертое поколение чипов, позволяющих как получать 3D-сканы человеческого тела, так и проводить мониторинг различного рода, в том числе в космических условиях. Помимо этого, уникальные экспериментальные условия позволяют изучать влияние космической радиации на формирование климата и разрабатывать методы защиты электроники от нее для аэрокосмической сферы. ЦЕРН обладает уникальной экспертизой как в ряде производственных компетенций, так и в управлении процессами, что делает его авангардным хабом индустрии 4.0, влияющим на наукоемкий бизнес во всем мире.На пороге будущегоВсего в ЦЕРН действуют несколько десятков коллабораций экспериментаторов, в разных направлениях раздвигающих горизонты науки. Крупнейшие из них ATLAS и CMS ориентированы на поиск новых элементарных частиц, поиск темной материи, и других новых явлений. LHCb изучает антиматерию, а ALICE специализируется на изучении состояния вещества в первые микросекунды после Большого Взрыва.Вокруг работы БАК часто появляются слухи и тревожные теории и, к счастью, все они были опровергнуты: уничтожить Землю не удастся ни микроскопическим черным дырам, которые и вправду могут на доли секунды возникать в коллайдере, ни загадочному магнитному монополю. Зато постоянно существует вероятность совершить открытие, которое перевернет все — в хорошем смысле.Для повышения эффективности наблюдений на БАК прямо сейчас реализуется проект модернизации, который превратит его в коллайдер «высокой светимости» (HL-LHC). Считается, что этот апгрейд позволит загрузить ученых данными примерно до 2035 года.На смену БАК, как планируют ученые, придет либо Future Circular Collider, длина окружности которого составит уже около 100 км, либо же ускоритель совершенно иного типа Linear Collider. Целью этих проектов является детальное изучение бозона Хиггса. «Самое главное достижение ЦЕРН, я считаю – это сообщество, которое удалось создать. Здесь собираются самые светлые головы со всего мира, работающие в различных областях физики и технологий. Такого уровня профессионального общения, такого обмена опытом нет больше нигде», — поделился Анатолий Романюк.На сегодняшний день в ЦЕРН на постоянной основе трудятся около 2600 ученых и инженеров. В экспериментах центра принимают участие более 12000 физиков из 85 стран, и среди них более тысячи россиян. За годы своего существования центр расширился с 11 до 23 стран-участников. Материал подготовлен на основе лекции «Большой адронный коллайдер: история и будущее исследований ЦЕРН», состоявшейся в МИА «Россия сегодня», и при содействии ученых Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

https://ria.ru/20190226/1551341736.html

https://ria.ru/20140929/1025988096.html

https://ria.ru/20190726/1556868028.html

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria. ru/images/148736/98/1487369807_115:0:896:586_1920x0_80_0_0_811559a591e46fc3cd8294a143bf1d14.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

национальный исследовательский ядерный университет «мифи», навигатор абитуриента, университетская наука

Наука, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Навигатор абитуриента, Университетская наука

Вокруг деятельности ЦЕРН ходят слухи и легенды. Какие технологии созданы благодаря ему? К чему привело открытие «Частицы бога»? Не уничтожит ли столкновение частиц в Большом адронном коллайдере нашу планету — в материале РИА Новости.

К новой физике — почти со скоростью света

С появлением теории относительности в физике началась эпоха многообразия фундаментальных моделей, объединить которые в единую систему не удается по сей день. Сегодня самые точные данные об устройстве материи производит физика высоких энергий. Она изучает процессы рождения фундаментальных частиц в столкновениях протонов и ядер, разогнанных до скоростей крайне близких к скорости света. Это позволяет проверять теоретические прогнозы и находить новые агрегатные состояния частиц.

Стандартная модель, сформированная к 60-м годам, представляет собою комплекс теорий физики частиц, объясняющих большинство, однако, не все фундаментальные явления — например, она не объясняет гравитацию. Для уточнения этой модели и был создан Большой адронный коллайдер (БАК).

26 февраля 2019, 09:14Наука

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего

БАК представляет собою кольцеобразный тоннель на стометровой глубине с длиной окружности 27 км, внутри которого более 1200 сверхпроводящих магнитов разгоняют частицы для столкновения на скорости 0,99999999 скорости света. Кроме него, в ЦЕРН работают еще шесть ускорителей и ряд детекторов, регистрирующих результат столкновений частиц.

Информация, производимая детекторами, исчисляется десятками петабайт (т. е. десятками миллионов гигабайт) в месяц, а на ее анализ уходит иногда не один год работы ученых. Данные, производимые лабораториями центра, обрабатываются многоуровневой сетью, узлы которой находятся в университетах и научных центрах 40 стран мира, включая Россию.

Открытие в 2012 году бозона Хиггса стало финалом грандиозной работы по подтверждению Стандартной модели. Сегодня на базе ЦЕРН развернут целый ряд параллельных экспериментальных программ, посвященных как проверке точности предсказаний Стандартной модели, так и поиску проявлений «новой физики».

Дальнейшее исследование бозона Хиггса даст возможность изучать феномены за рамками Стандартной модели. Наибольший интерес ученых вызывают такие явления, как темная материя и темная энергия, а также асимметрия материи и анти-материи.

Горнило новых технологий

«Невозможно знать наверняка направление научного поиска, которое приведет нас к новым технологиям, поэтому только исследование фундаментальных проблем, которое предполагает преодоление границ возможного в настоящий момент, может гарантировать развитие прикладной науки», — объяснил профессор НИЯУ МИФИ, участник коллаборации ATLAS Анатолий Романюк.

Необходимость обработки огромного объема данных сделала ЦЕРН одним из центров развития компьютерных технологий. Кроме «Всемирной паутины», созданной там в 1989 году для удобства исследователей, центр также оказал большое влияние на технологию распределенных вычислений.

29 сентября 2014, 08:27Инфографика

Научный гигант современности: ЦЕРН и его достиженияЕвропейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) отмечает 29 сентября 60-летний юбилей. В настоящее время ее главной задачей является изучение элементарных частиц и механизмов их взаимодействия.

Предметом особой гордости ученых являются разработки по уменьшению физических размеров ускорителей. Миниатюрные ускорители уже сейчас активно используются для сканирования внутренней структуры объектов — например, в медицине или экспертизе искусства.

Связанные с этим технологии визуализации также развиваются на базе ЦЕРН. Коллаборация Medipix адаптирует для применения в диагностике технологию, служившую для наблюдения за столкновениями частиц. Разрабатывается уже четвертое поколение чипов, позволяющих как получать 3D-сканы человеческого тела, так и проводить мониторинг различного рода, в том числе в космических условиях.

Помимо этого, уникальные экспериментальные условия позволяют изучать влияние космической радиации на формирование климата и разрабатывать методы защиты электроники от нее для аэрокосмической сферы.

ЦЕРН обладает уникальной экспертизой как в ряде производственных компетенций, так и в управлении процессами, что делает его авангардным хабом индустрии 4.0, влияющим на наукоемкий бизнес во всем мире.

На пороге будущего

Всего в ЦЕРН действуют несколько десятков коллабораций экспериментаторов, в разных направлениях раздвигающих горизонты науки. Крупнейшие из них ATLAS и CMS ориентированы на поиск новых элементарных частиц, поиск темной материи, и других новых явлений. LHCb изучает антиматерию, а ALICE специализируется на изучении состояния вещества в первые микросекунды после Большого Взрыва.

Вокруг работы БАК часто появляются слухи и тревожные теории и, к счастью, все они были опровергнуты: уничтожить Землю не удастся ни микроскопическим черным дырам, которые и вправду могут на доли секунды возникать в коллайдере, ни загадочному магнитному монополю. Зато постоянно существует вероятность совершить открытие, которое перевернет все — в хорошем смысле.

26 июля 2019, 03:00Наука

Черные дыры и кротовые норы: можно ли построить тоннель в другую Вселенную

Для повышения эффективности наблюдений на БАК прямо сейчас реализуется проект модернизации, который превратит его в коллайдер «высокой светимости» (HL-LHC). Считается, что этот апгрейд позволит загрузить ученых данными примерно до 2035 года.

На смену БАК, как планируют ученые, придет либо Future Circular Collider, длина окружности которого составит уже около 100 км, либо же ускоритель совершенно иного типа Linear Collider. Целью этих проектов является детальное изучение бозона Хиггса.

«Самое главное достижение ЦЕРН, я считаю – это сообщество, которое удалось создать. Здесь собираются самые светлые головы со всего мира, работающие в различных областях физики и технологий. Такого уровня профессионального общения, такого обмена опытом нет больше нигде», — поделился Анатолий Романюк.

На сегодняшний день в ЦЕРН на постоянной основе трудятся около 2600 ученых и инженеров. В экспериментах центра принимают участие более 12000 физиков из 85 стран, и среди них более тысячи россиян. За годы своего существования центр расширился с 11 до 23 стран-участников.

Материал подготовлен на основе лекции «Большой адронный коллайдер: история и будущее исследований ЦЕРН», состоявшейся в МИА «Россия сегодня», и при содействии ученых Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Впервые обнаружен свет, вышедший из-за черной дыры

29 июля 2021
13:30

Наталия Теряева

Световое эхо от черной дыры.

Иллюстрация ESA.

Астрономы впервые зарегистрировали излучение, исходящее от черной дыры, которая потому и черная, что не выпускает никакой свет наружу.

Астрофизик Стэнфордского университета Дэн Уилкинс (Dan Wilkins) наблюдал за рентгеновскими лучами, которые исходят от черной дыры. Она расположена в центре галактики I Zwicky 1, находящейся на расстоянии 800 миллионов световых лет от нас. Изучаемая Уилкинсом сверхмассивная черная дыра в 10 миллионов раз «тяжелее» Солнца.

Ученый заметил, что яркие рентгеновские вспышки не просто порождались чёрной дырой, но и отражались от газа, который втягивает в себя властительница космоса. По мере того как первоначальные вспышки затухали, рентгеновские телескопы (XMM-Newton ЕКА и NuSTAR НАСА) улавливали всё более слабые вспышки. Уилкинс очень удивился и решил тщательно разобраться в «увиденном».

«Любой свет, попадающий в эту черную дыру, не выходит [во внешнее пространство], поэтому мы не должны видеть ничего, что находится за черной дырой, – объясняет Уилкинс. – Однако мы смогли это увидеть по той причине, что черная дыра искривляет пространство, закручивает вокруг себя магнитные поля и изменяет путь света».

Открытие светового эха стало первым прямым наблюдением излучения, исходящего из-за черной дыры, и первым прямым подтверждением предсказания общей теорией относительности Эйнштейна. Великий ученый предполагал, как ведут себя магнитные поля в непосредственной близости от черных дыр, а также что они изменяют траектории света. Теперь же человечество оказалось технически готовым к непосредственной регистрации подобного феномена.

Открытое Уилкинсом явление подробно описано в статье, опубликованной журналом Nature.

«Пятьдесят лет назад, когда астрофизики начали размышлять о том, как магнитное поле может вести себя вблизи черной дыры, они понятия не имели, что однажды у нас могут появиться методы, чтобы наблюдать это напрямую и увидеть общую теорию относительности Эйнштейна в действии», – говорит Роджер Блэндфорд (Roger Blandford), соавтор статьи из Стэнфордского университета.

Открытие началось с изучения так называемой «короны» черной дыры. Корона и есть источник яркого рентгеновского излучения. Астрономы считают, что корону создает газ, который непрерывно втягивает в себя черная дыра. Корона выглядит как вращающийся вихрь (подобно вихрю воды, вытекающему из отверстия в ванне в канализацию).

Этот газовый вихрь разогревается до миллионов градусов и генерирует магнитные поля, которые скручиваются в узлы вращающейся черной дырой. При такой температуре электроны отделяются от атомов, создавая намагниченную плазму.

Когда магнитные поля искривляются мощной гравитацией черной дыры, они в конечном итоге «ломаются», высвобождая запасенную энергию и производят электроны высокой энергии. Последние и становятся источником рентгеновского излучения.

Картина очень напоминает то, что происходит вокруг нашего Солнца, поэтому «вихрь» близ черной дыры и назвали короной.

Как выяснили учёные, часть излучения яркой вспышки рентгеновских лучей черной дыры I Zwicky 1 падала на газовый диск ее короны. Рентгеновские лучи, которые отражались от газа позади черной дыры, огибали её, и эти более слабые вспышки попадали в телескопы с задержкой. Наблюдения отражений (или эха) совпадают с предсказаниями Эйнштейна о том, как гравитация искривляет траектории излучения вокруг черных дыр.

Отраженные короной рентгеновские лучи имеют определенные «цвета» (длины волн). По мере того как рентгеновские лучи проходят вокруг черной дыры, их «цвета» слегка меняются.

Поскольку полученные астрономами рентгеновские эхо-сигналы имеют разные «цвета» и поступили в разное время (в зависимости от того, от какой части короны они отражаются), они дают много информации о происходящем вокруг черной дыры.

Астрономы хотят в дальнейшем использовать это для создания трехмерной карты окрестностей черной дыры. Также ученым предстоит разобраться, как корона производит столь яркие рентгеновские вспышки.

Изучение удивительной короны черной дыры ученые продолжат при помощи рентгеновской обсерватории Европейского космического агентства «Афина». Её отправка в космос запланирована на 2031 год.

Ранее мы рассказывали о том, как невероятно прожорливая чёрная дыра стала самым далёким радиомаяком во Вселенной. Также астрономы не так давно разглядели заграждение у края чёрной дыры. А еще мы писали о том, как искусственная чёрная дыра помогла визуализировать искривление траекторий света.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

наука
астрономия
Альберт Эйнштейн
черная дыра
общество
новости

Ранее по теме

• Астрономы впервые нашли чёрную дыру-невидимку вне Галактики

• Новая веха в радиоастрономии: учёные «сфотографировали» главную чёрную дыру Млечного Пути

• Российские учёные открыли самую тесную двойную чёрную дыру

• Гигантские пузыри в центре Галактики созданы сверхмассивной чёрной дырой

• Первая в своём роде: астрономы нашли первую чёрную дыру, блуждающую по Галактике

• В соседней галактике найдена уникальная чёрная дыра

«Возможно создать искусственную черную дыру?» — Яндекс Кью

Популярное

Сообщества

Космос

Ольга Камышева

517Z»>16 июля 2020  ·

2,1 K

Ответить1Уточнить

Равиль Ахметжанов

18

Равиль Ахметжанов
Руководитель юротдела общественной организации  · 17 июл 2020

Если не говорить про дыру в стене, направленную в тёмное помещение, а про сингулярность, то по нынешним представлением черная дыра представляет из себя материальный объект естественного происхождения, появление которого связано с высоким давлением, сжимающим материю до такой степени, что она больше не занимает какой либо объем, но сохраняет массу. Масса обеспечивает притяжение окружающей материи, с чего начинается существование чёрной дыры. Далее материя начинает бесконечное падение в одну точку, которую невозможно достичь. Самое большое выделение энергии, которое сейчас можно получить на Земле, происходит при взрыве ядерной бомбы (это в заметных масштабах) или в различных ускорителях элементарных частиц. Эти источники позволяют разбить атомы, иные частицы, но не сжать их вместе. Таких инструментов пока не придумано.

Для сравнения просто прикиньте. Земля обеспечивает силу притяжения в 9.8 G. Не только атомы, но и живые существа легко противостоят такому притяжению. Воздух остается в газообразном состоянии. На Юпитере давление настолько высокое, что гелий и водород существуют в жидком состоянии при высокой температуре. Есть предположение, что ядро Юпитера состоит из металлического водорода. На Солнце давление ещё больше и оно не может породить черную дыру. Самые суровые звёзды, звезда Мафусаила, Бетельгейзе, Ригель, не в состоянии породить черную дыру. Взрыв стареющей звезды может создать давление, при котором межатомные связи сломаются до такой степени, что образуется нейтронная звезда, которая еще не становится черной дырой. То есть, давление должно быть иного порядка. Можно сказать, что в первом порядке могут появляться планеты, во втором порядке могут появляться звезды, в третьем порядке могут появляться нейтронные звезды, а четвёртом порядке могут появиться черные дыры.

Считается, что если Землю сжать до состояния черной дыры, то она займёт пространство размером с вишенку. Размер обусловлен не плотностью материи, а видимым объемом. Точнее размером прорехи в пространстве. Так как вокруг черной дыры искажается пространство, луч света не может пролететь через неё по прямой линии и несётся по какой-то кривой линии либо мимо черной дыры, либо в неё. Сложно представить себе ситуацию, при которой свет будет летать по одной стабильной орбите. Я думаю, что в таких условиях черная дыра будет выглядеть как сферическая линза с чёрной точкой посередине. Вокруг этой точке всё искажено, а она сама лишь результат отсутствия лучей, исходящих перпендикулярно от неё. Если хотите, то это когерентная тьма.

Создать условия для возникновения черной дыры на Земле сейчас невозможно. Если же такие условия будут созданы, то это выяснится лишь при появлении черной дыры. Сил у нас маловато. Мы уже не смогли удержать раскаленные реакторы Чернобыля или Фукусимы. Они просто проплавили под собой поверхность и упали куда-то вниз, продолжая прожигать под собой камень. Если вдруг появится черная дыра размером с атом, то расти она будет очень долго, незаметно, но верно. Поймать её в какую-то ловушку типа магнитной явно настолько сложно, что для использования такой ловушки её надо изобрести на всякий случай, если вдруг неизвестно где появится эта дыра. Если она появится и её можно будет найти, то может быть и можно будет поймать, но времени на поиски и поимку будет крайне мало. Если поймать получится, то такую дыру придется как-то отправить на вечное поселение на какую-то орбиту, чтобы она не могла расти.

Я подправил вам настроение? Если да, то больше не забивайте себе голову этими проблемами.

Ольга Камышева

4 апреля 2021

Какими ещё проблемами?

Комментировать ответ…Комментировать…

Pavel Maks

3

Самоучка, реалист, аналитик. Изучаю СМК и анализ процессов деятельности организаций…   · 19 июл 2020

Перед тем, как что-то изготовить, нужно располагать критериями цели. Боюсь у нас настолько мало информации, касаемо этого явления, что очень даже обидно. Мы как люди без телескопов, которые в древние времена смотрели на звезды, то богами их делали, то ещё что нибудь приписывали. Только вот мы те же самые люди, только смотрим мы на черную дыру, карлики, пульсары, квазары… Читать далее

Комментировать ответ…Комментировать…

Рафаил Гафаров

8

3 окт 2020

И ещё можно добавить, что те, кто " экспертно " говорят и пишут про ЧД сами толком не знают, что это за объект такой.Когда их спрашиваешь об величине массы, переводящей звезду в ЧД они не готовы к ответу.

Комментировать ответ…Комментировать…

Рафаил Гафаров

8

16 июл 2020

Нельзя. В космосе она может образоваться, когда масса такой звезды приведёт к ускорению силы тяжести, препятствщей » покиданию » света поверхности звезды.

Комментировать ответ…Комментировать…

Вы знаете ответ на этот вопрос?

Поделитесь своим опытом и знаниями

Войти и ответить на вопрос

Искусственная чёрная дыра помогла визуализировать искривление света // Смотрим

• Профиль

Обнаружение и изучение чёрных дыр Вселенной

30 сентября 2013, 15:15

• Евгений Парамонов

• (иллюстрация Hui Liu/Nature Photonics).

Пластик давно заменил многие привычные материалы вроде дерева, кожи или металла. Теперь этот символ всего искусственного помог учёным сотворить пластиковую чёрную дыру. Благодаря построенной модели исследователи смогли проверить свои представления о поведении света в области фотонной сферы.

В современном мире господствует пластик. На протяжении последних десятилетий это вещество заменило многие привычные материалы вроде дерева, кожи или металла. Постепенно пластиковыми становились одежда, мебель, технические узлы и детали, строительные материалы и даже оружие. Теперь этот символ всего искусственного помог учёным сотворить пластиковую… чёрную дыру.

Причиной создания столь сложного и пока малопонятного объекта было желание исследователей имитировать влияние гравитации чёрной дыры на свет, проходящий через так называемую фотонную сферу (photon sphere). Фотонная сфера — это сферическая область пространства, где гравитация столь велика, что заставляет фотоны двигаться по орбитам.

Как известно, космические чёрные дыры обладают колоссальной силой притяжения. Учёным интересно узнать, что происходит близ горизонта событий, где искривляются не только лучи, но и пространство-время. (Радиус фотонной сферы чуть больше, чем у горизонта событий, поэтому частицы света не затягивает к центру вселенской «пожирательницы».)

Чтобы визуализировать этот процесс и сымитировать происходящее в космосе в меньшем масштабе, учёные добавили в расплавленное акриловое стекло квантовые точки. Это крошечные «капли» полупроводника, которые под воздействием света начинают флуоресцировать. Затем смесь налили на вращающуюся кварцевую пластину, заставив её растечься по ней. В центр «чёрной дыры» как якорь была помещена микроскопическая сфера из полистирола. Она заставляла смесь на пластине располагаться таким образом, чтобы толщина слоя снижалась по мере удаления к краям кварцевой подложки.

В результате инженеры получили модель, в которой изменение показателя преломления света в акриловом материале соответствовало изменению кривизны пространства близ настоящей чёрной дыры.

Визуализировать движение света близ фотонной сферы удалось при помощи лазерной подсветки. Ближе к полистироловой сфере преломление было таковым, что лазерные лучи закольцовывались, образуя окружность. В то же время наиболее удалённые от центра лучи изгибались, точно задеваемые гравитационным полем чёрной дыры.

Этот эффект, называемый гравитационная линза широко используется в астрономии. Благодарю ему, исследователи узнают о многих удалённых от Солнечной системы объектах, таких как экзопланеты.

«Наблюдаемый нами эффект аналогичен тому как искривляется пространство вокруг чёрной дыры и соответствует проделанным ранее расчётам», — говорит профессор Лю Хуэй (Hui Liu) из университета Нанкина.

Вообще, учёные благодаря полученной модели увидели многие знакомые гравитационные эффекты, описанные на бумаге при помощи уравнений Эйнштейна.

Профессор Хуэй добавил, что хотя эта модель задумывалась как один из экспериментов вокруг общей теории относительности, полученные знания имеют и некоторое практическое применение. В частности любопытная способность материала абсорбировать свет может пригодиться при совершенствовании новых солнечных батарей.

Конечно, это не первая модель чёрной дыры — ранее имели место попытки имитации отдельных процессов, связанных с таинственным изучением Хокинга. Однако подобные исследования фотонной сферы ранее не проводились.

Также по теме:
Вселенная могла произойти от одной гигантской чёрной дыры
Земной аналог чёрных дыр обнаружен в океане
Микроскопическую сферу заставили вращаться с рекордной скоростью
Наша Вселенная может быть искривлённой, а не плоской
Пульсар помог определить мощность магнитного поля сверхмассивной чёрной дыры Галактики

• новости

Весь эфир

Физик зафиксировал излучение Хокинга от аналоговой черной дыры

Наука
Физики смогли

15:49
16 Авг. 2016

Сложность
8.2

Черная дыра искажает Большое Магелланово Облако (моделирование)

Wikimedia Commons

Джефф Штейнхауэр, физик из Израильского технологического
института, зафиксировал самый достоверный на сегодняшний день аналог излучения
Хокинга. В эксперименте ученый создал так называемую «глухую дыру» —
акустический аналог черной дыры. Наблюдая за ее поведением, физик обнаружил,
что на специальной границе, за которую не могут распространяться колебания
материи «глухой дыры», рождаются пары квантов колебаний, движущихся в разные
стороны. Более того, эти пары оказываются квантово-запутанными.

В отличие от предыдущих экспериментов с аналоговыми черными
дырами, «запрещенное» излучение в работе Штейнхауэра возникает самопроизвольно
и имеет квантовую природу: оно рождается из флуктуаций вакуума, как и излучение
Хокинга. По словам Леонарда Сасскинда, если результат получит подтверждение, то
он станет «триумфом Хокинга, как открытие бозона Хиггса стало триумфом для
Питера Хиггса и его коллег». Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, кратко
о нем сообщает редакционный материал Nature.

Традиционное объяснение природы излучения Хокинга связано с флуктуациями
вакуума на горизонте событий черной дыры. Это такая область, в которой гравитационное поле объекта оказывается
настолько сильным, что даже свет не может ее покинуть. Природа квантовой
механики не позволяет существовать идеальному нулевому вакууму — этому мешает принцип
неопределенности Гейзенберга. В результате в вакууме непрерывно рождаются и аннигилируют пары виртуальных
частиц. Если одна из частиц такой пары окажется затянутой «под» горизонт, то
вторая частица станет реальной и покинет черную дыру. При этом эта пара частиц
— внутри и снаружи черной дыры — окажется квантово-запутанной.

Излучение Хокинга ведет к тому, что со временем черная дыра
испаряется. Причем, чем меньше сверхплотный объект, тем быстрее это произойдет.
С этим связан важный парадокс, указывающий на сложность объединения общей
теории относительности и квантовой механики — парадокс потери информации.
Подробно о нем рассказывал Эмиль Ахмедов в серии интервью N+1 (1, 2). Однако
зафиксировать излучение напрямую, от известных кандидатов в черные дыры,
невозможно. Оно подобно тепловому излучению, и чем массивнее звезда, тем меньше
температура излучения. Так, для черной дыры с массой Солнца температура излучения
Хокинга составляет 0,0000001 кельвина — на 7 порядков меньше, чем заполняющее
Вселенную реликтовое излучение.

Поэтому для того, чтобы подтвердить существование излучения
Хокинга, ученые используют модельные объекты — аналоговые черные дыры. Физики
обратили внимание, что при правильной постановке эксперимента волны звука или других колебаний могут вести себя
подобно световым волнам вблизи черной дыры.

В роли аналоговых черных дыр выступали как макро-, так и
микроскопические системы. К примеру, в 2008 году физики под руководством Ульфа Леонхардта
моделировали волны хокинговского
излучения с помощью волн в бассейне, распространявшихся против сильного
течения. Тогда ученым удалось зафиксировать следы волн, менявших свою частоту с
положительной на отрицательную. Позднее та же группа использовала
оптические волокна с нелинейными свойствами для тех же целей.

Автор новой работы, Джефф Штейнхауэр, пошел дальше и применил
для моделирования горизонта событий конденсат Бозе-Эйнштейна из охлажденных до
сверхнизких температур атомов рубидия. Эксперименты со звуковыми аналогами
черных дыр — «глухими дырами» — физик начал
еще в 2009 году.

Внешний вид горизонта событий — сигарообразное облако с границей между сверхзвуковой и дозвуковой областями. Ускорение атомов происходит с помощью лазера.

Jeff Steinhauer / Nature Physics, 2016

Поделиться

В основе работ лежит следующая идея: скорость
распространения звука в охлажденном облаке атомов рубидия очень мала — порядка
полмиллиметра в секунду. Если создать границу, слева от которой атомы движутся
со дозвуковой скоростью, а справа ускоряются, переходя на сверхзвуковую скорость, то она будет играть
роль горизонта событий. В такой ситуации кванты коллективных колебаний холодных
атомов — фононы — будут захватываться областью со сверхзвуковой скоростью,
аналогично фотонам, захватываемым черной дырой.

В газе, охлажденном до долей кельвина, основным источником
фононов являются флуктуации вакуума — колебания, рождающиеся при этом, являются
виртуальными и гасят друг друга. Однако пары фононов, рожденные флуктуацией на аналоговом
горизонте событий, могут оказаться разорваны. В результате этого возникают
реальные фононы в сверхзвуковой и дозвуковой областях. Фонон в дозвуковой
области и играет роль излучения Хокинга.

Штейнхауэр фиксировал фононы в облаке холодных атомов и
анализировал возможную взаимосвязь между ними. Оказалось, что между поведением
атомов, находившихся на одинаковых расстояниях от «горизонта», существовали
корреляции. Это, по словам автора, указывает на квантовую запутанность между
фононами.

Как отмечает Ульф Леонхардт, несмотря на значимость работы,
израильский физик показал запутанность лишь между фононами высоких энергий, в то время как пары
с низкими энергиями, по всей видимости, не коррелируют. По словам эксперта, если
использованные холодные атомы не формировали истинного Бозе-Эйнштейновского
конденсата, то вклад в поведение могли
внести и другие процессы.

Существование аналога излучения Хокинга у аналоговой черной
дыры не означает, что и у астрофизических черных дыр есть такое же свойство. Единственная возможность зафиксировать излучение напрямую — наблюдение миниатюрных черных дыр, существовавших в ранней Вселенной. Исследование аналогового излучения может дать подсказки о свойствах черных
дыр, которые нельзя измерить напрямую. 

Интересно, что Штейнхауэр работал над экспериментом в
одиночку. Как рассказывает
физик, он не стремился к этому, но, вероятно, его лаборатория пользуется репутацией
места, в котором сложно работать. По словам ученого, у лаборатории из одного человека
есть и свои преимущества: можно ежедневно, на протяжении всего дня, уделять
время только одному важному проекту.

Владимир Королёв

Исследователи наблюдают стационарное излучение Хокинга в аналоговой черной дыре

Ингрид Фаделли, Phys.org

Кредит: общественное достояние CC0

Черные дыры — это области в космосе, где гравитация очень сильна — настолько сильна, что ничто, попадающее в них, не может выйти наружу, включая свет. Теоретические предсказания предполагают, что существует радиус, окружающий черные дыры, известный как горизонт событий. Как только что-то пересекает горизонт событий, оно больше не может покинуть черную дыру, поскольку гравитация становится сильнее по мере приближения к ее центру.

Физик-теоретик Стивен Хокинг предсказал, что, хотя ничто не может вырваться наружу, черные дыры спонтанно излучают ограниченное количество света, известное как излучение Хокинга. Согласно его предсказаниям, это излучение бывает спонтанным (т. е. возникает из ничего) и стационарным (т. е. его интенсивность не сильно меняется во времени).

Исследователи из Техниона – Израильского технологического института недавно провели исследование, направленное на проверку теоретических предсказаний Хокинга. В частности, они исследовали, является ли эквивалент излучения Хокинга в «искусственной черной дыре», созданной в лабораторных условиях, стационарным.

«Если вы войдете внутрь горизонта событий, нет возможности выбраться наружу, даже для света», — сказал Phys.org Джефф Штайнхауэр, один из исследователей, проводивших исследование. «Излучение Хокинга начинается сразу за горизонтом событий, откуда свет едва может вырваться. Это действительно странно, потому что там ничего нет, это пустое пространство. И все же это излучение начинается из ничего, выходит и идет к Земле».

Искусственная черная дыра, созданная Штайнхауэром и его коллегами, имела длину примерно 0,1 миллиметра и состояла из газа, состоящего из 8000 атомов рубидия, что является относительно небольшим числом атомов. Каждый раз, когда исследователи делали ее снимок, черная дыра разрушалась. Таким образом, чтобы наблюдать за ее эволюцией во времени, им пришлось создать черную дыру, сфотографировать ее, а затем создать еще одну. Этот процесс повторялся много раз, в течение месяцев.

Аналоговая черная дыра, созданная исследователями. Предоставлено: Колобов и др.

Излучение Хокинга, испускаемое этой аналоговой черной дырой, состоит из звуковых волн, а не световых волн. Атомы рубидия движутся быстрее скорости звука, поэтому звуковые волны не могут достичь горизонта событий и выйти из черной дыры. Однако за пределами горизонта событий газ течет медленно, поэтому звуковые волны могут свободно перемещаться.

«Рубидий течет быстро, быстрее скорости звука, а это значит, что звук не может идти против течения», — объяснил Штайнхауэр. «Допустим, вы пытались плыть против течения. Если это течение движется быстрее, чем вы можете плыть, то вы не можете двигаться вперед, вас отбрасывает назад, потому что течение движется слишком быстро и в противоположном направлении, поэтому вы застряли. Вот на что похоже застревание в черной дыре и попытка добраться до горизонта событий изнутри».

Согласно предсказаниям Хокинга, излучение черных дыр спонтанно. В одном из своих предыдущих исследований Штайнхауэр и его коллеги смогли подтвердить это предсказание в своей искусственной черной дыре. В своем новом исследовании они намеревались выяснить, является ли излучение, испускаемое их черной дырой, также стационарным (то есть остается ли оно постоянным во времени).

«Предполагается, что черная дыра излучает подобно черному телу, которое, по сути, является теплым объектом, испускающим постоянное инфракрасное излучение (то есть излучение черного тела)», — сказал Штайнхауэр. «Хокинг предположил, что черные дыры подобны обычным звездам, которые постоянно, постоянно излучают определенный тип излучения. Это то, что мы хотели подтвердить в нашем исследовании, и мы это сделали».

Излучение Хокинга состоит из пар фотонов (то есть световых частиц): один вылетает из черной дыры, а другой падает обратно в нее. Пытаясь идентифицировать излучение Хокинга, испускаемое созданной ими аналоговой черной дырой, Штайнхауэр и его коллеги таким образом искали похожие пары звуковых волн, одна из которых исходила из черной дыры, а другая входила в нее. Как только они идентифицировали эти пары звуковых волн, исследователи попытались определить, существуют ли между ними так называемые корреляции.

«Нам пришлось собрать много данных, чтобы увидеть эти корреляции», — сказал Штайнхауэр. «Таким образом, мы провели 97 000 повторений эксперимента, в общей сложности 124 дня непрерывных измерений».

В целом результаты подтверждают, что излучение, испускаемое черными дырами, является стационарным, как и предсказывал Хокинг. Хотя эти результаты применимы в первую очередь к созданной ими аналоговой черной дыре, теоретические исследования могут помочь подтвердить, можно ли их применить и к реальным черным дырам.

«Наше исследование также поднимает важные вопросы, потому что мы наблюдали всю жизнь аналоговой черной дыры, а это значит, что мы также видели, как началось излучение Хокинга», — сказал Штайнхауэр. «В будущих исследованиях можно попытаться сравнить наши результаты с предсказаниями того, что произойдет в реальной черной дыре, чтобы увидеть, начинается ли «настоящее» излучение Хокинга из ничего, а затем накапливается, как мы наблюдали».

В какой-то момент во время экспериментов исследователей излучение, окружающее их аналоговую черную дыру, стало очень сильным, поскольку черная дыра сформировала так называемый «внутренний горизонт». существование внутреннего горизонта, радиуса внутри черной дыры, очерчивающего дальнейшую область ближе к ее центру

В области внутри внутреннего горизонта гравитационное притяжение намного ниже, поэтому объекты могут свободно перемещаться и больше не притянуты к центру черной дыры, но все же не могут покинуть черную дыру, так как не могут пройти через внутренний горизонт в противоположном направлении (т. е. направляясь к горизонту событий)9.0003

«По сути, горизонт событий — это внешняя сфера черной дыры, а внутри нее есть небольшая сфера, называемая внутренним горизонтом, — сказал Штайнхауэр. «Если вы проваливаетесь за внутренний горизонт, то вы все еще застряли в черной дыре, но, по крайней мере, вы не чувствуете странную физику пребывания в черной дыре. Вы были бы в более «нормальной» среде, так как притяжение будет меньше, так что вы больше не будете его чувствовать».

Некоторые физики предсказали, что когда аналоговая черная дыра образует внутренний горизонт, испускаемое ею излучение становится сильнее. Интересно, что именно это произошло с аналоговой черной дырой, созданной исследователями из Техниона. Таким образом, это исследование может вдохновить других физиков на изучение влияния образования внутреннего горизонта на интенсивность излучения Хокинга черной дыры.

Узнать больше

Исследователь разработал новый способ имитации излучения Хокинга в лаборатории

Дополнительная информация:
Наблюдение стационарного спонтанного излучения Хокинга и временная эволюция аналоговой черной дыры. Физика природы (2021). DOI: 10.1038/s41567-020-01076-0

Информация журнала:
Физика природы

© 2021 Наука Х Сеть

Цитата :
Исследователи наблюдают стационарное излучение Хокинга в аналоговой черной дыре (2021, 19 февраля)
получено 4 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2021-02-stationary-hawking-analog-black-hole.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Искусственная черная дыра создает собственную версию излучения Хокинга

Ничто, даже свет, не может покинуть горизонт событий черной дыры.
Авторы и права: НАСА и Г. Бэкон (STScI)

Черные дыры на самом деле не черные. Вместо этого считается, что эти гравитационные поглотители излучают излучение, которое заставляет их сжиматься и в конечном итоге исчезать. Это явление, одно из самых странных явлений, связанных с черными дырами, было предсказано Стивеном Хокингом более 40 лет назад и создало проблемы для теоретической физики, которые до сих пор сотрясают мир.

Теперь, после семи лет зачастую одиночных исследований, Джефф Штайнхауэр, физик-экспериментатор из Израильского Техниона Технологического Института в Хайфе, создал искусственную черную дыру, которая, кажется, излучает такое «излучение Хокинга» сама по себе, из квантового флуктуации, возникающие при его экспериментальной установке.

Индивидуальный оркестр: физик-одиночка, моделирующий черные дыры в звуке

Почти невозможно наблюдать излучение Хокинга в реальной черной дыре, и предыдущие эксперименты с искусственными черными дырами не связывали их излучение со спонтанными флуктуациями. Итак, результат, опубликованный 15 августа 9  ¹ , возможно, ближе всего к наблюдению излучения Хокинга.

Штайнхауэр говорит, что аналоги черных дыр могут помочь решить некоторые из дилемм, которые это явление ставит перед другими теориями, в том числе так называемый информационный парадокс черных дыр, и, возможно, указать путь к объединению квантовой механики с теорией гравитации.

Другие физики впечатлены, но предупреждают, что результаты неоднозначны. И некоторые сомневаются, что лабораторные аналоги могут многое рассказать о реальных черных дырах. «Этот эксперимент, если верны все утверждения, действительно удивителен», — говорит Силке Вайнфуртнер, физик-теоретик и экспериментатор из Ноттингемского университета, Великобритания. «Это не доказывает, что излучение Хокинга существует вокруг астрофизических черных дыр».

В середине 1970-х Хокинг, физик-теоретик из Кембриджского университета, Великобритания, обнаружил, что горизонт событий черной дыры — поверхность, с которой ничего, включая свет, не может ускользнуть — должен иметь особые последствия для физика.

Его отправной точкой было то, что случайность квантовой теории исключает существование истинного небытия. Даже самая пустая область космоса кишит флуктуациями энергетических полей, из-за чего пары фотонов появляются непрерывно, но тут же уничтожают друг друга. Но так же, как Пиноккио превратился из марионетки в мальчика, эти «виртуальные» фотоны могли бы стать настоящими частицами, если бы горизонт событий разделил их до того, как они смогли бы аннигилировать друг друга. Один фотон упадет за горизонт событий, а другой улетит в открытый космос.

Это, как показал Хокинг, заставляет черные дыры излучать — хотя и очень слабо — и в конечном итоге сжиматься и исчезать, потому что частица, которая падает внутрь, всегда имеет «отрицательную энергию», которая истощает черную дыру. Что наиболее спорно, Хокинг также предположил, что исчезновение черной дыры уничтожает всю информацию об упавших в нее объектах, что противоречит общепринятому мнению о том, что общее количество информации во Вселенной остается постоянным.

В начале 19В 80-х годах физик Билл Унру из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Канада, предложил способ проверить некоторые предсказания Хокинга ² . Он представил себе среду, которая испытывает ускоренное движение, например, воду, приближающуюся к водопаду. Подобно тому, как пловец достигает точки, в которой он не может уплыть достаточно быстро, чтобы избежать водопада, звуковые волны, которые проходят мимо точки в среде, скорость которой превышает скорость звука, становятся неспособными двигаться против течения. Унру предсказал, что эта точка эквивалентна горизонту событий и что она должна отображать звуковую форму излучения Хокинга.

Штайнхауэр реализовал идею Унру в облаке атомов рубидия, которое он охладил до доли градуса выше абсолютного нуля. Содержащиеся в сигарообразной ловушке длиной в несколько миллиметров атомы вошли в квантовое состояние, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК), в котором скорость звука составляла всего полмиллиметра в секунду. Штейнхауэр создал горизонт событий, разогнав атомы до тех пор, пока некоторые из них не стали двигаться со скоростью более 1 мм с ⁻¹ — сверхзвуковой скоростью для конденсата (см. «Построение черной дыры»).

При сверхнизкой температуре БЭК испытывает лишь слабые квантовые флуктуации, подобные тем, что происходят в космическом вакууме. И они должны производить звуковые пакеты, называемые фононами, точно так же, как вакуум производит фотоны, говорит Штайнхауэр. Партнеры должны отделяться друг от друга, при этом один партнер должен находиться на сверхзвуковой стороне горизонта, а другой формировать излучение Хокинга.

На одной стороне его акустического горизонта событий, где атомы движутся со сверхзвуковой скоростью, фононы оказались в ловушке. А когда Штайнхауэр сфотографировал БЭК, он обнаружил корреляции между плотностями атомов, находящихся на одинаковом расстоянии от горизонта событий, но по разные стороны. Это демонстрирует, что пары фононов были запутаны — признак того, что они возникли спонтанно из одной и той же квантовой флуктуации, говорит он, и что БЭК производил излучение Хокинга.

Напротив, излучение, которое он наблюдал в более ранней версии установки, должно было быть вызвано, а не исходить от самого БЭК ³ , тогда как предыдущий эксперимент с водными волнами под руководством Унру и Вайнфуртнера не пытался показать квантовые эффекты ⁴ .

Точно так же, как настоящие черные дыры не черные, акустические черные дыры Штайнхауэра не совсем тихие. Их звук, если бы его можно было услышать, мог бы напоминать статический шум.

«Конечно, это новаторская работа», — говорит Ульф Леонхардт, физик из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль, который возглавляет другую попытку продемонстрировать эффект, используя лазерные волны в оптическом волокне. Но он говорит, что доказательства запутанности кажутся неполными, потому что Штейнхауэр продемонстрировал корреляции только для фононов относительно высоких энергий, а пары фононов с более низкой энергией, по-видимому, не коррелировали. Он также говорит, что не уверен, что среда является истинным БЭК, что, по его словам, означает, что могут быть другие типы флуктуаций, которые могут имитировать излучение Хокинга.

Также непонятно, что могут сказать аналоги о тайнах, окружающих настоящие черные дыры. «Я не верю, что это прольет свет на так называемый информационный парадокс», — говорит Леонард Сасскинд, физик-теоретик из Стэнфордского университета в Калифорнии. В отличие от случая астрофизических черных дыр, в звуковой черной дыре Штайнхауэра нет потери информации, потому что БЭК не испаряется.

Тем не менее, если результаты Штайнхауэра подтвердятся, это станет «триумфом Хокинга, возможно, в том же смысле, в каком ожидаемое обнаружение бозона Хиггса было триумфом Хиггса и компании», — говорит Сасскинд. Мало кто сомневался в том, что эта частица существует, но ее открытие в 2012 году все же принесло Питеру Хиггсу и другому теоретику, предсказавшему ее, Франсуа Энглеру, Нобелевскую премию.

Аналог черной дыры, выращенный в лаборатории, ведет себя так, как сказал Стивен Хокинг.

Живая наука поддерживается аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

(Изображение предоставлено Аароном Горовицем через Getty Images)

В 1974 году Стивен Хокинг предположил, что самые темные гравитационные гиганты Вселенной, черные дыры, не были черными, как смоль, звездоглотателями, как представляли себе астрономы, а спонтанно излучали свет — явление, которое сейчас называют излучением Хокинга.

Проблема в том, что ни один астроном никогда не наблюдал загадочное излучение Хокинга, а поскольку оно, по прогнозам, будет очень тусклым, они, возможно, никогда и не увидят. Вот почему ученые сегодня создают свои собственные черных дыр .

Исследователи из Израильского технологического института Технион так и сделали. Они создали аналог черной дыры из нескольких тысяч атомов . Они пытались подтвердить два наиболее важных предсказания Хокинга, что излучение Хокинга возникает из ничего и что его интенсивность не меняется с течением времени, то есть оно является стационарным.

«Предполагается, что черная дыра излучает подобно черному телу, которое по сути является теплым объектом, испускающим постоянное инфракрасное излучение », — соавтор исследования Джефф Штайнхауэр, доцент физики Израильского технологического института Технион. Об этом сообщает Phys.org. «Хокинг предположил, что черные дыры подобны обычным звездам, которые постоянно, постоянно излучают определенный тип излучения. Это то, что мы хотели подтвердить в нашем исследовании, и мы это сделали».

Связанные: 12 самых странных объектов во вселенной

Горизонт событий

гравитация черной дыры настолько сильна, что даже свет не может вырваться из ее хватки, как только фотон или световая частица пересекает ее точку- невозврата, называемого горизонтом событий . Чтобы покинуть эту границу, частица должна нарушить законы физики и двигаться быстрее скорости света.

Хокинг показал, что хотя ничто из того, что пересекает горизонт событий, не может ускользнуть, черные дыры все же могут спонтанно излучать свет с границы благодаря квантовой механике и тому, что называется «виртуальными частицами».

Как объясняется принципом неопределенности Гейзенберга , даже полный вакуум космоса кишит парами «виртуальных» частиц, которые появляются и исчезают. Эти мимолетные частицы с противоположными энергиями обычно почти сразу аннигилируют друг друга. Но из-за сильного гравитационного притяжения на горизонте событий Хокинг предположил, что пары фотонов могут разделяться, при этом одна частица поглощается черной дырой, а другая улетает в космос. Поглощенный фотон имеет отрицательную энергию и вычитает энергию в виде массы из черной дыры, в то время как вылетевший фотон становится излучением Хокинга. Только благодаря этому, по прошествии достаточного времени (гораздо большего, чем возраст Вселенной), черная дыра может полностью испариться.

«Теория Хокинга была революционной, потому что он объединил физику квантовой теории поля с общей теорией относительности », — теорией Эйнштейна, которая описывает, как материя искривляет пространство-время , — сказал Штайнхауэр Live Science. «Это все еще помогает людям искать новые законы физики, изучая комбинацию этих двух теорий на физическом примере. Люди хотели бы проверить это квантовое излучение, но это очень сложно с реальной черной дырой, потому что излучение Хокинга настолько слабое по сравнению с радиационному фону космоса».

Эта проблема вдохновила Штайнхауэра и его коллег на создание собственной черной дыры — более безопасной и гораздо меньшей, чем настоящая.

Черная дыра, сделанная своими руками

Черная дыра, выращенная исследователями в лаборатории, состояла из потока газа, состоящего примерно из 8000 атомов рубидия , охлажденных почти до абсолютного нуля и удерживаемых на месте с помощью лазерного луча. Они создали загадочное состояние вещества, известное как Бозе-Эйнштейновский конденсат (БЭК), которое позволяет тысячам атомов действовать вместе в унисон, как если бы они были одним целым.0123 атом .

С помощью второго лазерного луча команда создала скалу с потенциальной энергией , которая заставила газ течь, как вода, стремящаяся вниз по водопаду, тем самым создав горизонт событий, где половина газа текла быстрее, чем скорость звука , другая половина медленнее. В этом эксперименте команда искала пары фононов, или квантовых звуковых волн, вместо пар фотонов, спонтанно образующихся в газе.

Фонон на более медленной половине мог двигаться против потока газа, вдали от утеса, в то время как фонон на более быстрой половине захватывался скоростью сверхзвукового потока газа, объяснил Штайнхауэр. «Это все равно, что пытаться плыть против течения, которое быстрее, чем вы можете плыть. [Это] точно так же, как быть в черной дыре, когда вы внутри, невозможно достичь горизонта».

После того, как они обнаружили эти фононные пары, исследователи должны были подтвердить, были ли они коррелированы и оставалось ли излучение Хокинга постоянным во времени (если оно было стационарным). Этот процесс был сложным, потому что каждый раз, когда они фотографировали свою черную дыру, она разрушалась из-за выделяющегося в процессе тепла. Таким образом, команда повторила свой эксперимент 97 000 раз, потратив более 124 дней на непрерывные измерения, чтобы найти корреляции. В конце концов, их терпение окупилось.

«Мы показали, что излучение Хокинга было стационарным, то есть оно не менялось со временем, что и предсказывал Хокинг», — сказал Штайнхауэр.

Исследователи подробно описали свои выводы 4 января в журнале Nature Physics (откроется в новой вкладке).

Первоначально опубликовано на Live Science.  

Примечание редактора. Эта статья была обновлена, чтобы включить слово «аналог» в заголовок, чтобы читатели знали, что эксперимент проводился с аналогом черной дыры, а не с настоящей черной дырой. Статья также была обновлена, чтобы отметить, что первая цитата была сообщена Phys.org, а не в заявлении для прессы.

Искусственная черная дыра создана в лаборатории — Physics World

Все знают счет с черными дырами: даже если свет проходит слишком близко, огромная гравитация затянет его внутрь, и его больше никто не увидит. Считается, что они образуются, когда большие звезды, наконец, расходуют все свое топливо и коллапсируют. Поэтому может стать сюрпризом, что британским физикам удалось создать «искусственную» черную дыру в лаборатории.

Первоначально теоретики, изучающие черные дыры, сосредоточились почти исключительно на применении общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает, как гравитация массивных объектов возникает из-за искривления пространства-времени. Затем, в 1974 году, физик из Кембриджского университета Стивен Хокинг, основываясь на работе Джейкоба Бекенштейна, показал, что квантовая механика также должна быть добавлена ​​в смесь.

Хокинг предположил, что точка невозврата, окружающая черную дыру, за пределы которой свет не может выйти, — так называемый горизонт событий — должна сама испускать частицы, такие как нейтрино или фотоны. В квантовой механике принцип неопределенности Гейзенберга позволяет таким частицам все время парами возникать из пустого вакуума, хотя обычно вскоре после этого они аннигилируют. Но если по обе стороны от горизонта событий черной дыры возникнут две частицы, то та, что внутри, окажется в ловушке, а та, что снаружи, сможет вырваться на свободу. Для наблюдателя черная дыра выглядела бы как тепловое тело, а эти частицы были бы «излучением Хокинга» черной дыры.

Теоретически все это очень хорошо, но на практике излучение Хокинга от черной дыры было бы слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить на шумном космическом микроволновом фоне (CMB), оставшемся от Большого взрыва. Проще говоря, черные дыры слишком холодные. Даже самые маленькие черные дыры, которые, согласно Хокингу, должны иметь самую высокую характеристическую температуру, все же будут примерно на восемь порядков холоднее, чем реликтовое излучение.

Столкнувшись с трудностями наблюдения излучения Хокинга от астрофизических черных дыр, некоторые физики попытались создать в лаборатории искусственные черные дыры с более высокой характеристической температурой. Ясно, что создание огромного количества гравитации и опасно, и почти невозможно. Но искусственные черные дыры могут быть основаны на аналогичной системе, в которой искривленное пространство-время гравитационного поля определяется другим изменяющимся параметром, влияющим на распространение волны. «Мы не можем изменить законы гравитации по своей воле», — говорит Ульф Леонхардт из Университета Сент-Эндрюс в Великобритании.0053 physicsworld.com . «Но мы можем изменить аналогичные параметры в системе конденсированного состояния». Группа Леонхардта в Сент-Эндрюсе первой создала искусственную систему черных дыр, в которой можно было обнаружить излучение Хокинга ( Science 319 1367).

Мы не можем изменить законы гравитации по своему желанию Ульф Леонхардт, Университет Сент-Эндрюс

Рыбная физика

Идея использования аналогичных систем для создания черных дыр была впервые предложена Уильямом Унру из Университета Британской Колумбии в 1981. Он представил себе рыбу, пытающуюся плыть вверх по течению от водопада, который представляет собой черную дыру. За пределами определенной точки рядом с водопадом течение становится настолько сильным — как горизонт событий — что рыба не может плыть достаточно быстро, чтобы спастись. В том же духе Унру затем размышлял о том, что произойдет с волнами, текущими из моря в устье реки. Поскольку течение становится сильнее вверх по реке, волны могут продвигаться только вверх по течению, прежде чем будут побеждены. Таким образом, река представляет собой «белую дыру»: ничто не может войти.

В эксперименте Сент-Эндрюс, в котором используется показатель преломления оптоволокна в качестве аналогии гравитационного поля, на самом деле существуют как черные, так и белые дыры. Он основан на том, что скорость света света в среде определяется не только длиной волны света, но и показателем преломления.

Группа начинает с отправки импульса света через оптическое волокно, которое в результате явления, известного как эффект Керра, изменяет локальный показатель преломления. Спустя доли секунды они посылают «зондирующий» луч света, длина волны которого достаточна для того, чтобы быстрее пройти через волокно и уловить импульс. Но из-за измененного показателя преломления вокруг импульса свет зонда всегда достаточно замедлен, чтобы не догнать его, поэтому импульс выглядит как белая дыра. Точно так же, если группа направит зондирующий свет с противоположного конца волокна, он достигнет импульса, но не сможет пройти на другую сторону, поэтому импульс будет выглядеть как черная дыра.

Каковы минимальные свойства, необходимые для того, чтобы индуцировать излучение Хокинга в лабораторной системе так, как мы думаем, что оно индуцируется гравитационными черными дырами? Рено Парентани, Университет Париж-Юг

Над горизонтом событий

Леонхардт и его коллеги доказали существование этих горизонтов событий черных и белых дыр путем наблюдения за групповой скоростью зондирующего света, которая никогда не превышала скорости импульса. Что еще более важно, они подсчитали, что должна быть возможность обнаруживать частицы излучения Хокинга, образующиеся на любом из горизонтов событий, путем фильтрации остального света на дальнем конце волокна.

Обнаружение излучения Хокинга поможет физикам преодолеть разрыв между квантовой механикой и общей теорией относительности, двумя в настоящее время несовместимыми теориями. Это также может помочь физикам раскрыть тайну, связанную с длиной волны фотонов, испускаемых на горизонте событий, который, как считается, начинается практически с нуля, а затем растягивается почти до бесконечности под действием гравитации.

Однако Рено Парентани из Университета Париж-Юг во Франции считает, что, хотя в будущих версиях системы группы можно увидеть излучение с горизонта событий, оно может не обладать всеми ожидаемыми свойствами излучения Хокинга, создаваемого астрофизические черные дыры. Например, волоконно-оптическая система ограничена дисперсией, что означает, что длина волны фотонов, производимых на горизонте событий, не будет сильно растянута. «Каковы минимальные свойства, необходимые для того, чтобы индуцировать излучение Хокинга в лабораторной системе так, как мы думаем, что оно индуцируется гравитационными черными дырами?» он спросил. «Ответ, даже с теоретической стороны, не ясен. Но эти эксперименты побудят нас рассмотреть вопрос более глубоко».

Физики создали «черную дыру» в лаборатории, которая, наконец, может доказать существование излучения Хокинга ничто. Крошечные частицы света (фотоны) иногда выбрасываются обратно, отнимая у черной дыры бесконечно малое количество энергии, и эта постепенная потеря массы с течением времени означает, что каждая черная дыра в конечном итоге испаряется.

Известные как излучение Хокинга, эти ускользающие частицы помогают нам разобраться в одной из величайших загадок известной Вселенной, но по прошествии более четырех десятилетий никто не смог на самом деле доказать их существование, а предложение Хокинга осталось на территории гипотезы. .

Но все может измениться, когда две независимые группы исследователей сообщают, что они нашли доказательства, подтверждающие заявления Хокинга, и это может привести к тому, что один из величайших ныне живущих физиков наконец-то получит Нобелевскую премию.

Итак, вернемся в 1974 год, когда все это началось. Хокинг вступил в спор с аспирантом Принстонского университета Джейкобом Бекенштейном, который предположил в своей докторской диссертации, что энтропия черной дыры — «беспорядок» системы, связанный с ее объемом, энергией, давлением и температурой — пропорциональна площадь его горизонта событий.

Как объясняет Деннис Овербай для The New York Times , это было проблемой, потому что согласно принятому в то время пониманию физических законов, включая собственную работу Хокинга, энтропия и объем черной дыры никогда не могли уменьшиться.

Хокинг расследовал заявления и довольно скоро понял, что оказался неправ. «[Д]р Хокинг провел потрясающие вычисления, включая квантовую теорию, странные правила, управляющие субатомным миром, и был потрясен, обнаружив частицы, исходящие из черной дыры, что указывает на то, что она не была такой уж черной», — пишет Овербай.

Хокинг предположил, что Вселенная заполнена «виртуальными частицами», которые, согласно тому, что мы знаем о том, как работает квантовая механика, мигают и исчезают, а также уничтожают друг друга, как только вступают в контакт, за исключением случаев, когда они случайно появляются по обе стороны горизонта событий черной дыры. По сути, одна частица поглощается черной дырой, а другая излучается в космос.

Существование излучения Хокинга ответило на множество вопросов о том, как на самом деле работают черные дыры, но в процессе поставило ряд проблем, которые физики до сих пор пытаются решить.

«Ни один результат в теоретической физике не был более фундаментальным или влиятельным, чем его открытие, что черные дыры обладают энтропией, пропорциональной площади их поверхности», — говорит Ли Смолин, физик-теоретик из Периметрового института теоретической физики в Канаде.

В то время как Бекенштейн получил премию Вольфа в 2012 году и премию Эйнштейна Американского физического общества в 2015 году за свою работу, которая The New York Times сообщает, что часто являются предшественниками Нобелевской премии, но ни один из ученых не был удостоен самой престижной научной премии за это открытие. Бекенштейн скончался в прошлом году, но сейчас Хокинг как никогда близок к тому, чтобы доказать свою гипотезу.

Проблема? Помните, я сказал, что вылетающие фотоны каждый раз крадут у черной дыры бесконечно малое количество энергии? Что ж, к несчастью для Хокинга, это излучение настолько тонкое, что его практически невозможно обнаружить с расстояния в тысячи световых лет.

Но физик Джефф Штайнхауэр из Университета Технион в Хайфе, Израиль, считает, что нашел решение: если мы не можем обнаружить излучение Хокинга в настоящих черных дырах за тысячи световых лет от наших лучших отверстия для наших лучших инструментов?

Как сообщил Оливер Муди для The Times, Штайнхауэру удалось создать из звука «черную дыру» размером с лабораторию, и когда он включил ее, он стал свидетелем того, как частицы крадут энергию из ее краев.

Сообщая о своем эксперименте в статье, размещенной на веб-сайте подготовки к печати по физике arXiv.org, Штайнхауэр говорит, что он охладил гелий чуть выше абсолютного нуля, а затем взбил его так быстро, что образовался «барьер», через который звук не должен проходить. суметь пройти.

«Штайнхауэр сказал, что обнаружил признаки того, что фононы, очень маленькие пакеты энергии, из которых состоят звуковые волны, просачиваются из его звуковой черной дыры, как и предсказывают уравнения Хокинга», — сообщает Муди.

Чтобы было ясно, результаты этого эксперимента еще не рецензировались, поэтому нужно выложить все для всеобщего обозрения на arXiv.org. Сейчас они обдумываются физиками всего мира, и они уже вызывают споры, но заслуживают дальнейшего изучения.

«Эксперименты прекрасны», — сказал The Telegraph физик Силке Вайнфуртнер из Ноттингемского университета в Великобритании, который проводит свои собственные наземные эксперименты по обнаружению излучения Хокинга. «Джефф проделал потрясающую работу, но некоторые из его заявлений открыты для обсуждения. Это стоит обсудить».

Между тем, статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters в прошлом месяце, нашла еще один способ подкрепить доводы в пользу излучения Хокинга. Физики Крис Адами и Камил Брэдлер из Университета Оттавы описывают новую технику, которая позволяет им отслеживать жизнь черной дыры во времени.

Это захватывающие вещи, потому что это означает, что любая информация или материя, которые проходят за горизонт событий, не «исчезают», а медленно просачиваются обратно на более поздних стадиях испарения черной дыры.

«Чтобы выполнить этот расчет, мы должны были предположить, как черная дыра взаимодействует с полем излучения Хокинга, которое ее окружает», — сказал Адами в пресс-релизе. «Это потому, что в настоящее время нет теории квантовой гравитации, которая могла бы предположить такое взаимодействие. Однако, похоже, мы сделали обоснованное предположение, потому что наша модель эквивалентна теории Хокинга в пределе фиксированных, неизменных черных дыр».

Оба результата теперь должны быть подтверждены, но они говорят о том, что мы приближаемся к решению того, как мы можем подтвердить или опровергнуть существование излучения Хокинга, и это хорошая новость для его тезки.

Как указывает Муди, Питеру Хиггсу, предсказавшему существование бозона Хиггса, пришлось ждать своей Нобелевской премии 49 лет, нам придется подождать и посмотреть, получит ли Хокинг свою собственную.

Физики впервые экспериментально подтвердили теорему Хокинга о черной дыре | Новости Массачусетского технологического института

Есть определенные правила, которым должны подчиняться даже самые экстремальные объекты во Вселенной. Центральный закон для черных дыр предсказывает, что площадь их горизонта событий — граница, за которую ничто не может выйти — никогда не должна уменьшаться. Этот закон — теорема Хокинга о площади, названная в честь физика Стивена Хокинга, который вывел эту теорему в 1971 году.

Пятьдесят лет спустя физики из Массачусетского технологического института и других организаций впервые подтвердили теорему Хокинга о площади, используя наблюдения гравитационных волн. Их результаты появляются сегодня в Письма о физическом обзоре .

В ходе исследования исследователи более внимательно изучили GW150914, первый сигнал гравитационной волны, обнаруженный Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году. черная дыра вместе с огромным количеством энергии, которая пульсирует в пространстве-времени в виде гравитационных волн.

Если теорема Хокинга о площади верна, то площадь горизонта новой черной дыры не должна быть меньше общей площади горизонта ее родительских черных дыр. В новом исследовании физики повторно проанализировали сигнал от GW1509.14 до и после космического столкновения и обнаружили, что общая площадь горизонта событий действительно не уменьшилась после слияния — результат, о котором они сообщают с 95-процентной достоверностью.

Их результаты знаменуют собой первое прямое наблюдательное подтверждение теоремы Хокинга о площади, которая была доказана математически, но до сих пор никогда не наблюдалась в природе. Команда планирует протестировать будущие сигналы гравитационных волн, чтобы увидеть, могут ли они еще больше подтвердить теорему Хокинга или стать признаком новой, законопослушной физики.

«Возможно, существует целый зоопарк различных компактных объектов, и хотя некоторые из них являются черными дырами, которые следуют законам Эйнштейна и Хокинга, другие могут быть немного другими существами», — говорит ведущий автор Максимилиано Иси, научный сотрудник NASA Einstein Postdoctoral Fellow. в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. «Итак, это не значит, что вы делаете этот тест один раз, и он закончен. Вы делаете это один раз, и это начало».

Соавторами Иси по статье являются Уилл Фарр из Университета Стоуни-Брук и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, Мэтью Гислер из Корнельского университета, Марк Шил из Калифорнийского технологического института и Сол Теукольски из Корнельского университета и Калифорнийского технологического института.

Эпоха прозрений

В 1971 году Стивен Хокинг предложил теорему площадей, которая положила начало серии фундаментальных открытий о механике черных дыр. Теорема предсказывает, что общая площадь горизонта событий черной дыры — и всех черных дыр во Вселенной, если уж на то пошло — никогда не должна уменьшаться. Это утверждение было любопытной параллелью второму закону термодинамики, утверждающему, что энтропия, или степень беспорядка внутри объекта, также никогда не должна уменьшаться.

Сходство между двумя теориями предполагало, что черные дыры могут вести себя как термальные, излучающие тепло объекты — сбивающее с толку предположение, поскольку считалось, что черные дыры по самой своей природе никогда не пропускают энергию или излучают. В конце концов Хокинг сопоставил две идеи в 1974 году, показав, что черные дыры могут иметь энтропию и излучать излучение в течение очень длительного времени, если принять во внимание их квантовые эффекты. Это явление получило название «излучение Хокинга» и остается одним из самых фундаментальных открытий о черных дырах.

«Все началось с осознания Хокингом того, что общая площадь горизонта черных дыр никогда не может уменьшиться, — говорит Иси. «Закон о зонах воплощает в себе золотой век 70-х годов, когда все эти идеи были получены».

Хокинг и другие с тех пор показали, что теорема площади работает математически, но не было никакого способа проверить ее на природе, пока LIGO не впервые обнаружил гравитационные волны.

Хокинг, узнав о результате, быстро связался с соучредителем LIGO Кипом Торном, профессором теоретической физики Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте. Его вопрос: может ли обнаружение подтвердить теорему площадей?

В то время у исследователей не было возможности выделить в сигнале необходимую информацию до и после слияния, чтобы определить, не уменьшилась ли конечная площадь горизонта, как предполагала теорема Хокинга. Только несколько лет спустя Иси и его коллеги разработали методику, когда проверка закона площадей стала возможной.

До и после

В 2019 году Иси и его коллеги разработали метод извлечения реверберации сразу после GW1509. Пик 14 — момент, когда две родительские черные дыры столкнулись, образовав новую черную дыру. Команда использовала эту технику, чтобы выбрать определенные частоты или тона шумных последствий, которые они могли использовать для расчета окончательной массы и вращения черной дыры.

Масса и вращение черной дыры напрямую связаны с площадью ее горизонта событий, и Торн, вспомнив вопрос Хокинга, обратился к ним с вопросом: могут ли они использовать один и тот же метод для сравнения сигнала до и после слияния? и подтвердить теорему площади?

Исследователи приняли вызов и снова разделили сигнал GW150914 на его пике. Они разработали модель для анализа сигнала до пика, соответствующего двум вдохновляющим черным дырам, и для определения массы и вращения обеих черных дыр до их слияния. Исходя из этих оценок, они рассчитали общую площадь горизонта — примерно 235 000 квадратных километров, или примерно в девять раз больше площади Массачусетса.

Затем они использовали свою предыдущую технику для извлечения «кольца» или реверберации вновь образованной черной дыры, на основании чего они рассчитали ее массу и вращение, а в конечном итоге площадь ее горизонта, которая, как они обнаружили, была эквивалентна 367 000 квадратных километров (приблизительно в 13 раз больше площади штата Бэй).

«Данные с подавляющей уверенностью показывают, что площадь горизонта увеличилась после слияния и что закон площадей выполняется с очень высокой вероятностью», — говорит Иси. «Было облегчением то, что наш результат действительно согласуется с парадигмой, которую мы ожидаем, и подтверждает наше понимание этих сложных слияний черных дыр».

Команда планирует продолжить проверку теоремы Хокинга о площади и других давних теорий механики черных дыр, используя данные LIGO и Virgo, ее аналога в Италии.

«Обнадеживает то, что мы можем по-новому, творчески подойти к анализу данных о гравитационных волнах и ответить на вопросы, на которые раньше не могли ответить, — говорит Иси. «Мы можем продолжать дразнить фрагменты информации, которые напрямую связаны с основами того, что, как мы думаем, мы понимаем. Однажды эти данные могут раскрыть то, чего мы не ожидали».

Это исследование было частично поддержано НАСА, Фондом Саймонса и Национальным научным фондом.

Поделиться этой новостной статьей:

Бумага

Документ: «Проверка закона площади черной дыры с помощью GW150914»

Упоминания в прессе

Popular Mechanics

Исследователи из Массачусетского технологического института и других институтов смогли экспериментально подтвердить одну из теорем Стивена Хокинга о черных дырах, измеряя гравитационные волны до и после слияния черных дыр, чтобы предоставить доказательства того, что горизонт событий черной дыры никогда не может сузиться, сообщает отчет.