У 1974 році Стівен Хокінг зробив одне із своїх найвідоміших прогнозів: чорні діри з часом повністю випаровуються.
Згідно з теорією Хокінга, чорні діри не є ідеально «чорними», а натомість випромінюють частинки. Це випромінювання, вважав Хокінг, може врешті-решт відвести достатню кількість енергії та маси від чорних дір, щоб вони зникли. Загальноприйнята теорія вважається істинною, але колись її вважали майже неможливо довести.
Однак вперше фізики показали це невловиме випромінювання Хокінга - принаймні в лабораторії. Хоча випромінювання Хокінга занадто слабке, щоб його можна було виявити в космосі сучасними інструментами, фізики тепер бачили це випромінювання в аналозі чорної діри, створеному за допомогою звукових хвиль і деяких найхолодніших, найдивніших речовин у Всесвіті.
Пари частинок
Чорні діри чинять таку неймовірно потужну гравітаційну силу, що навіть фотон, який рухається зі швидкістю світла, не міг уникнути. Хоча вакуум космосу, як правило, вважають порожнім, невизначеність квантової механіки диктує, що натомість вакуум кишить віртуальними частинками, які вилітають у і існують у парах матерія-антиматерия. (Частинки антиматерії мають таку саму масу, що і речовини, але навпроти електричного заряду.)
Зазвичай після появи пари віртуальних частинок вони негайно знищують одна одну. Однак поруч із чорною дірою екстремальні сили тяжіння замість цього розтягують частинки, при цьому одна частинка поглинається чорною дірою, коли інша стріляє в космос. Поглинута частинка має негативну енергію, що зменшує енергію та масу чорної діри. Проковтнути достатньо цих віртуальних частинок, і чорна діра з часом випаровується. Частина, що витікає, стає відомою як випромінювання Хокінга.
Це випромінювання досить слабке, що зараз нам неможливо спостерігати його в космосі, але фізики придумали дуже креативні способи виміряти його в лабораторії.
Горизонт подій водоспаду
Фізик Джефф Штайнгауер та його колеги з Техніон-Ізраїльського технологічного інституту в Хайфі використовували надзвичайно холодний газ, який називають конденсатом Бозе-Ейнштейна, для моделювання горизонту події чорної діри, невидимої межі, за якою нічого не вийде. У проточному потоці цього газу вони розміщували скелю, створюючи «водоспад» газу; коли газ протікав над водоспадом, він перетворював достатню потенційну енергію в кінетичну енергію, щоб текти швидше, ніж швидкість звуку.
Замість частинок речовини та антиматерії дослідники використовували пари фононів або квантові звукові хвилі в потоці газу. Фонон на повільній стороні міг рухатись проти потоку газу, подалі від водоспаду, тоді як фонон на швидкій стороні не міг, захоплений «чорною дірою» надзвукового газу.
"Це так, якби ви намагалися плисти проти течії, яка проходила швидше, ніж ви могли плавати", - сказав Штайнгауер Live Science. "Ви відчували б, як рухаєтесь вперед, але ви справді поверталися назад. І це аналогічно фотону в чорній дірі, який намагається вийти з чорної діри, але тяжіння тягне за собою не так".
Хокінг передбачив, що випромінювання випромінюваних частинок буде знаходитись у безперервному спектрі довжин хвиль та енергій. Він також сказав, що це можна описати єдиною температурою, яка залежала лише від маси чорної діри. Нещодавній експеримент підтвердив обидва ці прогнози в звуковій чорній дірі.
"Ці експерименти є екскурсійною силою", - сказав Рено Парентані, фізик-теоретик з Лабораторії фізики Теорика з університету Париж-Суд, в Live Science. Парентані також вивчає аналогічні чорні діри, але з теоретичного кута; він не був причетний до нового дослідження. "Це дуже точний експеримент. З експериментальної сторони, Джефф насправді, на даний момент, провідний світовий фахівець з використання холодних атомів для дослідження фізики чорних дір"
Парентані, однак, наголосив, що це дослідження є "одним кроком довгий процес". Зокрема, це дослідження не показало співвідношення фононих пар на квантовому рівні, що є ще одним важливим аспектом прогнозів Хокінга.
"Історія продовжиться", - сказав Парентані. "Це зовсім не кінець".
