Forskare vid University of Nottingham har gjort ett betydande steg framåt när det gäller att förstå hur ett av universums mysterier fungerar. De har framgångsrikt simulerat förhållandena kring svarta hål med hjälp av ett specialdesignat vattenbad.

Deras resultat kastar nytt ljus över fysiken hos svarta hål med de första laboratoriebevisen på fenomenet som kallas superstrålning, uppnås med hjälp av vatten och en generator för att skapa vågor.

Forskningen - Rotational superradiant scattering in a vortex flow - har publicerats i Naturfysik . Det genomfördes av ett team i Quantum Gravity Laboratory på School of Physics and Astronomy.

Arbetet leddes av Silke Weinfurtner från School of Mathematical Sciences. I samarbete med ett tvärvetenskapligt team designade och byggde hon det svarta hålets "bad" och mätsystemet för att simulera svarta håls förhållanden.

Dr Weinfurtner sa:"Denna forskning har varit särskilt spännande att arbeta med eftersom den har köpt ihop fysikers expertis, ingenjörer och tekniker för att uppnå vårt gemensamma mål att simulera förhållandena för ett svart hål och bevisa att överlägsenhet existerar. Vi tror att våra resultat kommer att motivera ytterligare forskning om observation av superstrålning inom astrofysik."

Vad är superstrålning?

Nottingham-experimentet baserades på teorin att ett område omedelbart utanför händelsehorisonten för ett roterande svart hål - ett svart håls gravitationspunkt utan återvändo - kommer att dras runt av rotationen och varje våg som kommer in i denna region, men går inte förbi händelsehorisonten, bör avledas och komma ut med mer energi än den bar på vägen in - en effekt som kallas superradiance.

Superadiance - utvinning av energi från ett roterande svart hål - är också känt som Penrose Mechanism och är en föregångare till Hawking Radiation - en kvantversion av svarthåls superradiance.

Vad finns i Black Hole Lab?

Dr Weinfurtner sa:"Några av de bisarra svarta hålsfenomenen är svåra, om inte, omöjligt att studera direkt. Detta innebär att det finns mycket begränsade experimentella möjligheter. Så den här forskningen är ganska bra."

"Flumen", är specialdesignad 3m lång, 1,5 m brett och 50 cm djupt badkar med hål i mitten. Vatten pumpas i en sluten krets för att etablera ett roterande dräneringsflöde. Väl på det önskade djupet genererades vågor med olika frekvenser tills den superadianta spridningseffekten skapas och registreras med hjälp av en specialdesignad 3D-luftvätskegränssnittssensor.

Små prickar av vitt papper stansade ut av en specialanpassad symaskin användes för att mäta flödesfältet - hastigheten på vätskeflödet runt det analoga svarta hålet.

Allt började från en ödmjuk början

Denna forskning har varit under många år. Den första idén för att skapa en superstrålande effekt med vatten började med en hink och bidé. Dr Weinfurtner sa:"Denna forskning har vuxit från en ödmjuk början. Jag fick den första idén till ett vattenbaserat experiment när jag gick på International School for Advanced Studies (SISSA) i Italien och jag satte upp ett experiment med en hink och en bidé . Dock, när det orsakade en översvämning hittade jag snabbt ett labb att arbeta i!

Efter sin postdok, Dr Weinfurtner fortsatte att arbeta med Bill Unruh, den kanadensiskt födda fysikern som också har gjort avgörande bidrag till vår förståelse av gravitationen, svarta hål, kosmologi, kvantfält i krökta utrymmen, och grunderna för kvantmekaniken, inklusive upptäckten av Unruh-effekten.

Hennes flytt till University of Nottingham påskyndade hennes forskning eftersom hon kunde starta en egen forskargrupp med stöd från maskinverkstaden på School of Physics and Astronomy.