Badacze mają nadzieję, że poprzez przyspieszenie atomów w ciemnej szparze pośrodku tego obrazka będą w stanie wytworzyć akustyczną czarną dziurę zdolną do wydzielenia pierwszego wykrywalnego promieniowania Hawkinga

W celu wykrycia teoretycznego promieniowania Hawkinga naukowcy stworzyli sztuczną czarną dziurę, która zamiast światła pochłania dźwięk. Promieniowanie, zaproponowane przez fizyka Stephena Hawkinga ponad 30 lat temu, powoduje, że czarne dziury po jakimś czasie wyparowują.

Astrofizyczne czarne dziury powstają w momencie, gdy materia staje się tak gęsta, że załamuje się w punkcie zwanym osobliwością. Grawitacja czarnej dziury jest tak silna, że nic - nawet światło - nie jest w stanie wydostać się z granicy wokół niej, zwanej horyzontem zdarzenia.

Fizycy pracowali jednak nad rozwojem "czarnych dziur" pochłaniających dźwięk. Czynią to poprzez przyspieszenie przemieszczania się materii do prędkości ponaddźwiękowej w taki sposób, że przepływająca fala dźwiękowa nie może się zatrzymać, niczym ryba płynąca w wartkim strumieniu. Dźwięk jest skutecznie uwięziony w pułapce przypominającego strumień horyzontu zdarzenia.

Stan kwantowy

Fizycy materialni skupiają się na tak zwanym kondensacie Bosego-Einsteina (Bose-Einstein condensates, BEC), czyli efekcie kwantowym materii, gdzie grupa atomów zachowuje się w taki sposób jakby to był jeden atom.

"Kondensaty zostały stworzone tak że poruszają się z prędkością ponaddźwiękową, fizycy w trakcie prac nad BEC stworzyli akustyczne czarne dziury", powiedział Eric Cornell z Uniwersytetu Colorado w Boulder w USA< który otrzymał w 2001 roku nagrodę Nobla za rozwój kondensatów Bosego-Einsteina.

Cornell stwierdza jednak, iż nowe badanie prowadzone przez Jeffa Steinhauera i jego kolegów z Instytutu Technologii Technision-Israel w Hajfie jest pierwszym udokumentowanym eksperymentem obliczonym na wytworzenie promieniowania Hawkinga w BEC.

Przepływ ultradźwiękowy

Grupa około 100000 atomów rubidium została schłodzona do temperatury wynoszącej miliardowe części stopnia powyżej temperatury zera absolutnego, a następnie złapana w pułapkę pola magnetycznego. Używając lasera badacze stworzyli dużą ilość ładunku elektrycznego, który przyciągnął atomy do siebie i wprawił je w ruch z prędkością wyższą niż prędkość dźwięku.

Struktura ta następnie doprowadziła do powstania przepływu trwającego jakieś 8 milisekund, który z kolei spowodował przelotne powstanie czarnej dziury zdolnej do pochłaniania dźwięku.

Implikacje takiego działania mogłyby być głębokie, poniewaz mogłyby doprowadzić do pierwszego wykrycia promieniowania Hawkinga.

Mechanizmy kwantowe mówią, że pary cząsteczek mogą spontanicznie pojawiać się w pustej przestrzeni. Pary te, składające się z cząsteczki i antycząsteczki, powinny istnieć przez krótką chwilę zanim unicestwią się wzajemnie i znikną.

W latach siedemdziesiątych Hawking zaproponował jednak teorię mówiącą, że jeśli para została stworzona blisko krawędzi czarnej dziury, jedna z cząsteczek mogłaby do niej wpaść zanim zostałaby zniszczona, pozostawiając antycząsteczkę poza horyzontem zdarzenia. Dla obserwatora taka cząsteczka mogłaby się pojawić w postaci promieniowania. W akustycznych czarnych dziurach promieniowanie Hawkinga mogłoby przybrać postać cząsteczkopodobnych pakietów energii wibracyjnej, zwanych fononami.

Wielkie dobrodziejstwo

"Odkrycie promieniowania Hawkinga mogłoby być dla fizyki wielkim dobrodziejstwem", powiedział kosmolog Sean Caroll z Kalifornijskiego Instytutu Technologii. "Z jednej strony, Hawking mógłby otrzymać nagrodę Nobla. Mogłoby to nam jednak również pokazać, że obraliśmy właściwą drogę".

A to dlatego, że teoria Hawkinga wysuwa pewne fundamentalne propozycje dotyczące tego, w jaki sposób mechanizmy kwantowe mogłyby się zachować w przestrzeni zagiętej przez grawitację. Będąca podstawą tego matematyka jest używana do obliczania, w jaki sposób wszechświat zachowywał się w okresie zwanym inflacją, gdy przestrzeń szybko się rozszerzała wkrótce po wielkim wybuchu.

Wykrywanie promieniowania Hawkinga poprzez obserwacje astronomiczne jest jednak dość trudne, ponieważ wyparowywanie typowych czarnych dziur jest zaciemnione przez silne źródła promieniowania, między innymi przez tło mikrofali kosmicznych, będące poświatą wielkiego wybuchu.

Pierwszy krok

Badaczy czeka jeszcze długa droga, nim będą w stanie wykryć promieniowanie Hawkinga w akustycznych czarnych dziurach. Zespół Steinhauera na przykład szacuje, że zwiększenie szybkości jakie atomy muszą osiągnąć w strukturze musi być dziesięć razy większe, by mogło zostać wytworzone wykrywalne promieniowanie Hawkinga pod postacią fononów.

"Właściwie wykrywanie fali dźwiękowych wytworzonych przez dziurę jest naprawdę trudne. Jest to jednak ekscytujący pierwszy krok", powiedział Bill Unruh z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej w Vancouver w Kanadzie, który jako pierwszy zaproponował pomysł użycia fluidów kwantowych do wytworzenia sztucznych horyzontów zdarzenia.

Cornell zgadza się, dodając że zespół musi uczynić przepływ BEC bardziej płynnym, żeby móc zmierzyć subtelny znak promieniowania Hawkinga. "To co oni dotychczas zrobili stanowi rodzaj łatwej części. Pozostała do wykonania trudna część, w której spokojnie będzie można zauważyć wszystkie małe wahania na szczytach wszystkich gwałtownych rzeczy, jakie zrobiłeś w celu skondensowania [dążącego do uczynienia tego ultradźwiękowym]".

Cornell i jego koledzy budują swoją eksperymentalną strukturę po to, by wytworzyć akustyczne horyzonty zdarzenia.

Impulsy laserowe

Inni zaś mają nadzieję, że uda im się laboratoryjnie stworzyć wykrywalne promieniowanie Hawkinga przy użyciu światła. W 2008 roku zespół badawczy wytworzył sztuczny horyzont zdarzenia we włóknie optycznym, wykorzystując fakt że różne długości fal świetlnych poruszają się w tym włóknie z różną szybkością.

Dokonali tego, wysyłając w kierunku włókna relatywnie wolno poruszający się impuls. Zniekształcił on optyczne własności włókna, gdy więc drugi, szybszy impuls spotkał się z pierwszym, zwolnił szybkość i efektywnie został pochłonięty przed przypominającą horyzont zdarzenia krawędzią pierwszego impulsu.

Być może wciąż jest możliwe astrofizyczne wykrycie promieniowania Hawkinga. Im mniejsza jest czarna dziura, tym większa jest siła wytwarzanego przez nią promieniowania Hawkinga. Tak więc wyparowywanie mikroskopijnych czarnych dziur, które według niektórych badaczy powstały prawie natychmiast po wielkim wybuchu, może być wykrywalne przy użyciu Kosmicznego Obserwatorium Promieniowania Gamma, które zostało uruchomione w 2008 roku.

Rachel Courtland, New Scientist
Tłumaczenie i opracowanie: Ivellios