Vissa fenomen som förekommer i svarta hål men som inte direkt kan observeras i astronomiska undersökningar kan studeras med hjälp av en laboratoriesimulering. Detta är möjligt på grund av en märklig analogi mellan processer som är karakteristiska för svarta hål och hydrodynamiska processer. Den gemensamma nämnaren är likheten mellan vågutbredning i båda fallen.

Denna möjlighet undersöks i en ny artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev . Fysikern Maurício Richartz, en professor vid Federal University of the ABC (UFABC) i Brasilien, är en av författarna till artikeln, producerad av Silke Weinfurtners grupp vid University of Nottinghams School of Mathematical Sciences i Storbritannien. Forskningen stöddes av FAPESP via det tematiska projektet "Rymdens fysik och geometri, " för vilken Alberto Vazquez Saa är huvudutredare.

"Medan den här studien är helt teoretisk, vi har också utfört experimentella simuleringar på Weinfurtners labb, " berättade Richartz för Agência FAPESP. "Apparaten består i princip av en stor vattentank som mäter 3 meter gånger 1,5 meter. Vattnet rinner ut genom ett centralt avlopp och pumpas tillbaka in, så att systemet når en jämviktspunkt där mängden inflöde är lika med mängden utflöde. Vi simulerar ett svart hål på detta sätt."

Han gav ytterligare detaljer för att förklara hur detta gjordes. "Vattenflödet ökar snabbare när det närmar sig avloppet. När vi producerar vågor på vattenytan, vi får två viktiga hastigheter:hastigheten för vågutbredning och hastigheten för det totala vattenflödet, " han sa.

"Långt från avloppet, våghastigheten är mycket högre än vätskehastigheten, så vågor kan fortplanta sig i vilken riktning som helst. Situationen är annorlunda nära avloppet, dock. Vätskehastigheten är mycket högre än våghastigheten, så vågorna dras ner av vattenflödet även när de fortplantar sig i motsatt riktning. Så här kan ett svart hål simuleras i labbet."

I ett riktigt astrofysiskt svart hål, dess gravitationsattraktion fångar materia och förhindrar vågor av något slag från att fly, inklusive ljusvågor. I det hydrodynamiska simulacrum, vågorna på vätskans yta kan inte fly från virveln som bildas.

1981, Den kanadensiska fysikern William Unruh upptäckte att likheten mellan de två processerna – ett svart hål och ett hydrodynamiskt simulakrum – var mer än bara en analogi. Med några förenklingar, ekvationerna som beskriver utbredningen av en våg i närheten av ett svart hål är identiska med de som beskriver utbredningen av en våg i vatten som rinner ner i ett avlopp.

Detta legitimerar användningen av hydrodynamiska processer för att undersöka de fenomen som är typiska för svarta hål. I den nya studien, Richartz och medarbetare analyserade avslappningsprocessen (ringdown) i ett hydrodynamiskt simulakrum av ett svart hål som inte är i jämvikt, med hänsyn till tidigare ignorerade faktorer. I vissa avseenden, fenomenet de studerade liknar ringdown-processen i ett verkligt astrofysiskt svart hål som genererar gravitationsvågor efter att ha skapats av en kollision med två andra svarta hål.

"En noggrann analys av ringdown-spektrumet avslöjar egenskaperna hos det svarta hålet, såsom dess rörelsemängd och massa. I mer komplexa gravitationssystem, spektrumet kan bero på fler parametrar […]", skriver författarna i artikeln publicerad i Physical Review Letters.

Vorticity

Vorticity förbises av de enklaste modellerna men beaktas i denna studie. Det är ett nyckelbegrepp inom vätskemekanik som kvantifierar rotationen av specifika områden av en rörlig vätska.

Om virveln är noll, regionen följer helt enkelt med vätskans rörelse. Dock, om virveln inte är noll, förutom att följa med flödet, den snurrar också runt sitt eget massacentrum.

"I de enklare modellerna, det antas generellt att vätskans virvel är lika med noll. Detta är en bra approximation för regioner av vätskan belägna på ett avstånd från virveln. För regioner nära avloppet, dock, det är inte en så bra uppskattning eftersom i detta fall virvel blir allt viktigare. Så en av sakerna vi gjorde i vår studie var att införliva virvel, sa Richartz.

Forskarna försökte förstå hur virvel påverkar vågdämpningen under fortplantningen. När ett riktigt svart hål störs, den genererar gravitationsvågor som svänger med en viss frekvens. Deras amplitud minskar exponentiellt över tiden. Uppsättningen av dämpade resonanser som beskriver hur det exciterade systemet drivs tillbaka till jämvikt kännetecknas tekniskt av ett spektrum av kvasi-normala oscillationslägen.

"I vår studie, vi undersökte hur vorticitet påverkade kvasi-normala lägen i den hydrodynamiska svarta hålsanalogen. Vårt huvudsakliga fynd var att vissa svängningar avklingade mycket långsamt, eller med andra ord förblev aktiv under lång tid, och befann sig rumsligt i närheten av avloppet. Dessa svängningar var inte längre kvasinormala lägen, men ett annat mönster som kallas kvasibundna tillstånd, sa Richartz.

En framtida utveckling av forskningen kommer att innebära att dessa kvasibundna tillstånd produceras experimentellt i laboratoriet.