Ученым удалось создать искусственную «черную дыру» для акустических сигналов. Ее поведение должно подтверлить гипотезу Стивена Хокинга, высказанную еще 30 лет назад: она должна «испариться».
Черная дыра акустики: Без звука
По предположению Хокинга, черные дыры должны излучать и – со временем все быстрее – испаряться

Классические черные дыры появляются, когда материя становится настолько плотной, что коллапсирует в одну точку — сингулярность. Притяжение ее настолько велико, что ничто не может ее покинуть, даже свет, если он приблизился за границу так называемого «горизонта событий». О том, что происходит за ним, мы можем лишь предполагать с той или иной долей уверенности. Хотя некоторые ученые даже снимают видеоролики, которые демонстрируют, что может увидеть воображаемый сверх-наблюдатель, которому выпадет несчастье «провалиться» в черную дыру (читайте и смотрите: «За горизонтом событий»).

Однако своего рода аналоги черных дыр можно создать и для звука. Ученые научились делать это, заставив вещество двигаться сквозь среду быстрее, чем скорость звука в этой среде. Так что звуковая волна, «уловленная» этим веществом, никогда не покинет его, как пловец, двигающийся против течения медленней, чем оно проносится. Впрочем, расскажем подробнее.

Для начала ученым понадобилось научиться получать конденсат Бозе-Эйнштейна, что оказалось крайне непростой задачей, за которую даже была вручена Нобелевская премия (мы рассказывали об этом в статье «Холодный расчет»). Это особое состояние материи, при котором атомы, охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю, переходят в минимально возможное энергетическое состояние. В результате в таком конденсате эффекты, которые обычно существуют лишь на квантовом уровне, начинают проявляться на уровне макроскопическом.

На этот раз группа под руководством израильского ученого Джеффа Штайнхауэра (Jeff Steinhauer) охладили около 100 тыс. атомов рубидия до температуры, лишь на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, и поместили их в магнитную ловушку. С помощью лазера в системе была создана разница потенциалов, которая и заставила атомы рубидия двигаться внутри среды с высокой скоростью, быстрее, чем скорость распространения звука в этой среде. Конечно, длилось это очень мало времени, какие-то 8 миллисекунд, но этого было достаточно, чтобы получить в системе «акустическую черную дыру», способную улавливать звук.

Все это потребовалось для того, чтобы подтвердить или опровергнуть одну интересную гипотезу, высказанную знаменитым физиком-теоретиком Стивеном Хокингом. Еще несколько десятилетий назад он показал, что черные дыры должны быть не совсем «черными». Дело в том, что по законам квантовой механики в пространстве постоянно происходят флуктуации, ведущие к появлению пар частица-античастица. Эти пары тут же взаимодействуют друг с другом — и снова исчезают.

Однако представим, что подобное произошло у горизонта событий черной дыры. В этом случае античастица может оказаться за горизонтом и неминуемо исчезнуть в ней, тогда частица, возникшая словно «из ничего», остается свободной и устремляется в пространство. Черная дыра должна испускать частицы — этот процесс называется излучением Хокинга и (поскольку античастица уменьшает полную энергию покоя черной дыры) сопровождается ее «испарением», постепенным уменьшением массы.

Несмотря на всю стройность теоретических построений, наблюдать это излучение непосредственно в космосе пока что не удается. Зато его существование подтверждено на «водной модели», которую придумали шотландские ученые и о которой мы рассказывали в заметке «Черная дыра в бассейне». В случае же с «акустической черной дырой» роль формирующихся пар частица-античастица играют фононы, кванты вибрационного движения. Израильские ученые надеются, что они помогут показать реальность процесса испарения черной дыры — по крайней мере, в ее звуковом варианте.

Впрочем, до этого еще далеко. По расчетам Джеффа Штайнхауэра, чтобы излучение Хокинга было достаточно весомым для регистрации, им придется научиться разгонять атомы в своей установке еще примерно вдесятеро быстрее, чем сегодня. Нам придется подождать — и порадоваться за весьма остроумный подход к изучению сложнейшей астрофизической проблемы.

Впрочем, возможно, наблюдать излучение Хокинга удастся и в космосе. Дело в том, что теория говорит: чем меньше черная дыра, тем сильнее она излучает. Так что миниатюрные черные дыры, которые сегодня редки, но на заре существования Вселенной были весьма распространенными, должны демонстрировать достаточно сильное излучение. Но для этого понадобится заглянуть очень далеко — и ученые надеются, что это будет под силу новому орбитальному гамма-телескопу Fermi, который был запущен в прошлом году. Читайте о нем: «Гамма-небеса».

По публикации New Scientist Tech