Svarta hål är områden i rymden där gravitationen är mycket stark - så stark att inget som kommer in i dem kan fly, inklusive ljus. Teoretiska förutsägelser tyder på att det finns en radie runt svarta hål som kallas händelsehorisonten. När något passerar händelsehorisonten, den kan inte längre undkomma ett svart hål, när gravitationen blir starkare när den närmar sig sitt centrum.

Teoretisk fysiker Stephen Hawking förutspådde att även om ingenting kan fly inifrån dem, svarta hål avger spontant en begränsad mängd ljus, som kallas Hawking -strålning. Enligt hans förutsägelser, denna strålning är spontan (dvs. den uppstår ur ingenting) och stationär (dvs. dess intensitet förändras inte mycket över tiden).

Forskare vid Technion-Israel Institute of Technology har nyligen genomfört en studie som syftar till att testa Hawkings teoretiska förutsägelser. Mer specifikt, de undersökte om motsvarigheten till Hawking-strålning i ett "konstgjort svart hål" skapat i en laboratoriemiljö var stationär.

"Om du går in i händelsehorisonten, det finns inget sätt att komma ut, även för ljus, "Jeff Steinhauer, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Hawkingstrålning börjar precis utanför händelsehorisonten, där ljuset knappt kan fly. Det är verkligen konstigt eftersom det inte finns något där; det är tomt utrymme. Ändå börjar denna strålning från ingenting, kommer ut, och går mot jorden."

Det konstgjorda svarta hålet som skapades av Steinhauer och hans kollegor var cirka 0,1 millimeter långt och var gjord av en gas sammansatt av 8000 rubidiumatomer, vilket är ett relativt lågt antal atomer. Varje gång forskarna tog en bild av det, det svarta hålet förstördes. För att observera dess utveckling över tiden, de var alltså tvungna att producera det svarta hålet, ta en bild av den och skapa en till. Denna process upprepades många gånger, i månader.

Hawking-strålningen som sänds ut av detta analoga svarta hål är gjord av ljudvågor, snarare än ljusvågor. Rubidiumatomerna flödar snabbare än ljudets hastighet, så ljudvågor kan inte nå händelsehorisonten och fly från det svarta hålet. Utanför händelsehorisonten, dock, gasen flyter långsamt, så att ljudvågor kan röra sig fritt.

"Rubidium flödar snabbt, snabbare än ljudets hastighet, och det betyder att ljud inte kan gå emot strömmen, Steinhauer förklarade. "Låt oss säga att du försökte simma mot strömmen. Om denna ström går snabbare än du kan simma, då kan du inte gå vidare, du trycks tillbaka eftersom flödet rör sig för snabbt och i motsatt riktning, så du har fastnat. Så skulle det vara att vara fast i ett svart hål och försöka nå händelsehorisonten inifrån."

Enligt Hawkings förutsägelser, strålningen som sänds ut av svarta hål är spontan. I en av deras tidigare studier, Steinhauer och hans kollegor kunde bekräfta denna förutsägelse i deras konstgjorda svarta hål. I deras nya studie, de gav sig ut för att undersöka om strålningen från deras svarta hål också är stationär (dvs. om den förblir konstant över tiden).

"Ett svart hål ska stråla ut som en svart kropp, som i huvudsak är ett varmt föremål som avger konstant infraröd strålning (d.v.s. svart kroppsstrålning), " sa Steinhauer. "Hawking föreslog att svarta hål är precis som vanliga stjärnor, som utstrålar en viss typ av strålning hela tiden, ständigt. Det var vad vi ville bekräfta i vår studie, och det gjorde vi."

Hawking-strålning är sammansatt av par av fotoner (d.v.s. lätta partiklar):en kommer ut ur ett svart hål och en annan faller tillbaka in i det. När man försöker identifiera Hawking-strålningen som sänds ut av det analoga svarta hålet de skapade, Steinhauer och hans kollegor letade således efter liknande par ljudvågor, en kommer ut ur det svarta hålet och en rör sig in i det. När de väl identifierade dessa par av ljudvågor, forskarna försökte avgöra om det fanns så kallade korrelationer mellan dem.

"Vi var tvungna att samla in mycket data för att se dessa samband, " sa Steinhauer. "Vi tog alltså 97, 000 repetitioner av experimentet; totalt 124 dagars kontinuerlig mätning. "

Övergripande, fynden verkar bekräfta att strålningen från svarta hål är stationär, som förutspått av Hawking. Även om dessa fynd främst gäller det analoga svarta hålet de skapade, teoretiska studier kan hjälpa till att bekräfta om de också kan tillämpas på riktiga svarta hål.

"Vår studie väcker också viktiga frågor, eftersom vi observerade hela livslängden för det analoga svarta hålet, vilket betyder att vi också såg hur Hawking-strålningen började, "Sa Steinhauer." I framtida studier, man kan försöka jämföra våra resultat med förutsägelser om vad som skulle hända i ett riktigt svart hål, för att se om "riktig" Hawking-strålning börjar från ingenting och sedan byggs upp, som vi observerade. "

Någon gång under forskarnas experiment, strålningen som omger deras analoga svarta hål blev mycket stark, som det svarta hålet bildade det som kallas en "inre horisont." Förutom händelsehorisonten, Einsteins allmänna relativitetsteori förutsäger existensen av en inre horisont, en radie inuti svarta hål som avgränsar ytterligare ett område närmare dess centrum.

I området innanför den inre horisonten är gravitationskraften mycket lägre, sålunda kan föremål röra sig fritt och dras inte längre mot mitten av det svarta hålet. Ändå kan de fortfarande inte lämna det svarta hålet, eftersom de inte kan passera genom den inre horisonten i motsatt riktning (dvs. på väg mot händelsehorisonten).

"Väsentligen, händelsehorisonten är ett svart håls yttre sfär, och inuti den, det finns en liten sfär som kallas den inre horisonten, " sa Steinhauer. "Om du faller genom den inre horisonten, då är du fortfarande fast i det svarta hålet, men du känner åtminstone inte den konstiga fysiken att vara i ett svart hål. Du skulle vara i en mer "normal" miljö, eftersom tyngdkraften skulle vara lägre, så du skulle inte känna det längre. "

Vissa fysiker har förutspått att när ett analogt svart hål bildar en inre horisont, strålningen den avger blir starkare. Intressant, detta är precis vad som hände i det analoga svarta hålet som skapats av forskarna vid Technion. Denna studie skulle alltså kunna inspirera andra fysiker att undersöka effekten av bildandet av en inre horisont på intensiteten av ett svart håls Hawking-strålning.

© 2021 Science X Network