: 24.03.2021

Модельная «черная дыра» излучала согласно предсказанию Хокинга

Согласно предсказанию Хокинга, черная дыра должна излучать подобно очень холодному черному телу, т.е. объекту с ненулевой, но крайне низкой температурой. Такой объект тоже будет «светиться», причем даже не в инфракрасном, а в очень длинноволновом радиодиапазоне. В этом отношении черные дыры ведут себя подобно звездам, которые испускают постоянное излучение.

Интенсивность излучения черных дыр зависит только от их массы. Причем зависимость эта обратная: чем массивнее дыра, тем ниже температура. Для типичных черных дыр температура излучения Хокинга крайне низка: черная дыра с массой, равной солнечной, должна излучать как тело, нагретое до 10^–7 К (для сравнения: температура реликтового фона во Вселенной равна 2.7 К). Это одна из главных причин, почему излучение Хокинга никто пока не смог наблюдать – черные дыры светят немыслимо тускло.

Но если излучение Хокинга столь неизмеримо мало, то почему вокруг него возникла такая острая дискуссия? И почему это открытие в итоге стало научной сенсацией?

Во-первых, излучение Хокинга ничтожно мало вовсе не для всех черных дыр, а только для имеющих массу не меньше солнечной и сверхмассивных, но по мере уменьшения массы оно стремительно возрастает. Так что понимание природы этого явления может дать ключ к новому источнику энергии. Кроме того, излучение Хокинга ведет к так называемому испарению черных дыр, благодаря чему эти бездонные колодцы в пространстве-времени могут постепенно затягиваться.

Наконец, поскольку излучение Хокинга имеет квантовую природу, то на этом рубеже познания сошлись два самых передовых отряда исследовательской мысли – теория относительности и квантовая физика. Теория относительности объясняет, каким образом черная дыра своей супермощной гравитацией настолько искривляет пространство-время, что возникает так называемый горизонт событий – воображаемую сферу, откуда уже ничего не может вырваться, даже свет. Вместе с тем квантовая физика утверждает, что пустоты не бывает: везде существуют квантовые флуктуации, проявляющиеся в рождении виртуальных пар из частицы и античастицы. Эти частицы рождаются и сразу же бесследно взаимно уничтожаются, но если это происходит почти на самом горизонте событий, одна из частиц имеет шанс вылететь наружу. Так и возникает излучение Хокинга.

Прямых свидетельств, что черные дыры действительно испускают такое излучение, пока нет. Хотя одной из научных задач космического гамма-телескопа Fermi является поиск первичных черных дыр именно по излучению Хокинга. Теоретически черную дыру можно создать искусственно, и такие попытки предпринимались на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, но и они пока не дали результата.

Так что внутреннее устройство черных дыр, эта «гора Эверест» для космологии, пока не поддается штурму. Но ведь всегда можно пойти в обход, что и сделала группа ученых под руководством Д. Штайнхауэра из Израильского технологического института (Техниона). Им удалось исследовать излучение Хокинга на экспериментальной модели – своеобразной «немой дыре», звуковом аналоге черной дыры, из которой не могут вырваться наружу звуковые волны.

Интересно, что сама мысль создать звуковой аналог черной дыры появилась в те же далекие 1970-е. Проведенные позже математические расчеты дали неожиданный результат: оказалось, что поведение «звуковой дыры» описывается такими же уравнениями, что и поведение черной. Однако воплотить идею в реальность удалось лишь в 2000-х гг., когда ученые из Техниона для создания потока жидкости, которая может двигаться со сверхзвуковой скоростью, использовали рубидий в сильно охлажденном состоянии.

Лабораторная звуковая черная дыра устроена достаточно просто. По трубке движется охлажденная жидкость, в которой происходят квантовые флуктуации с образованием пар фононов (квантов звука), которые сразу же взаимно уничтожаются. В одной из секций поток разгоняется до сверхзвуковой скорости при помощи лазера – таким образом создается «звуковой горизонт событий». Если пара виртуальных фононов образуется в непосредственной близости от этого горизонта, то один из них тут же упадет на сверхзвуковой скорости в звуковую дыру, а второй, соответственно, излучится.

Созданный физиками звуковой горизонт событий мог существовать очень недолго, но все же позволял проводить наблюдения. В середине 2010-х гг. исследователям впервые удалось зафиксировать спонтанное, возникающее как бы из ничего звуковое «излучение Хокинга» и даже измерить его температуру, которая составила миллиардные доли градуса.

В январе 2021 г. Штайнхауэр с коллегами опубликовали в журнале Nature Physics статью, где привели результаты своих исследований динамики «излучения Хокинга» от созданного ими звукового аналога черной дыры. Повторив эксперимент 97 тыс. раз (что соответствовало 124 суткам непрерывных измерений), они смогли наблюдать спонтанное «излучение Хокинга» в шесть разных моментов времени после образования звуковой дыры. Такое число повторений потребовалось из-за малого срока жизни звуковой дыры, которая после каждого измерения погибала, так что ее приходилось создавать заново. Исследование подтвердило, что температура и интенсивность излучения оставались постоянными.

Ученые сравнили динамику излучения на протяжении жизни своего объекта с теоретическими предсказаниями для реальных черных дыр. Согласно их наблюдениям, «излучение Хокинга» сначала постепенно растет, а затем переходит в стационарную стадию. Финальная стадия «излучения Хокинга» характеризовалась формированием «внутреннего горизонта» в виде сферической поверхности внутри звуковой дыры, откуда звуковые волны могли выходить наружу. Излучение, идущее вовне с внутреннего горизонта, приводило к резкому росту общего «излучения Хокинга» сверх уровня спонтанного стационарного излучения. Интересно, что наличие такого внутреннего горизонта (его еще называют горизонтом Коши), где влияние гравитации ослабевает, было теоретически предсказано и для реальных черных дыр.

Оценки результатов группы Штайнхауэра заметно различаются: одни специалисты считают эту работу инженерной поделкой (тем самым анекдотическим «сферическим конем в вакууме», о котором многие слышали, но никто не видел). С одной стороны, она довольно любопытна, но с другой – может увести по ложному пути. К тому же, как говорится, «любой технический проект сферического коня реализуется согласно его замыслу», т.е. аналог черной дыры ведет себя в точности, как предсказал Хокинг, именно потому, что его так спроектировали.

Но есть и те, кто считает, что созданные в лаборатории звуковые черные дыры могут многое рассказать о дырах реальных. Полученные таким путем знания помогут в дальнейшем интерпретировать данные астрономических наблюдений за космическими черными дырами. Специалисты по теории относительности и физике черных дыр проявляют особый интерес именно к резкому возрастанию интенсивности излучения, поскольку этого явления нет в аналитических построениях Хокинга. Возникает вопрос: могут ли реальные черные дыры также испускать сильное дополнительное излучение, как в эксперименте Штайнхауэра? Поиск ответа на этот вопрос представляется очень увлекательным как для физики черных дыр, так и для космологии в целом.

Очень важно, что эти научные результаты были получены именно экспериментальным путем, а не при помощи компьютерного моделирования. Излучение Хокинга – это больше не продукт чистого воображения, его уже можно «пощупать». Ученым удалось создать реальный физический объект, который действительно ведет себя согласно теории Хокинга. В дальнейшем такие исследования позволят развивать теорию, опираясь на что-то более осязаемое, чем математические расчеты.

Подготовила Алла Кобкова

Фото: https://www.nasa.gov

: 24.03.2021