Laboratorijski uzgojena crna rupa potvrđuje Hawkinga

Pokojni znanstvenik Stephen Hawking 1974. godine je teoretizirao da najmračniji gravitacijski objekti u svemiru, crne rupe, nisu potpuno crne kao što su ih astronomi zamišljali, već spontano emitiraju svjetlost, što je fenomen koji se danas naziva Hawkingovo zračenje.

Problem je u tome što niti jedan astronom nikada nije primijetio Hawkingovo tajanstveno zračenje, a budući da je predviđeno da je ono izuzetno slabo, možda nikada i neće.

Istraživači s izraelskog Technion-Israel tehnološkog instituta, u laboratoriju su stvorili crne rupe od nekoliko tisuća atoma, kako bi pokušali potvrditi dva najvažnija Hawkingova predviđanja, da Hawkingovo zračenje ne proizlazi ni iz čega i da se s vremenom ne mijenja u intenzitetu, što znači da je stacionarno.

"Crna rupa trebala bi zračiti poput crnog tijela, što je u biti topli objekt koji emitira konstantno infracrveno zračenje", rekao je koautor studije Jeff Steinhauer, izvanredni profesor fizike na Technion-Israel institutu. "Hawking je sugerirao da su crne rupe poput običnih zvijezda koje neprestano emitiraju određenu vrstu zračenja. To smo htjeli potvrditi u našoj studiji, a to smo i učinili."

Gravitacija crne rupe toliko je snažna da niti svjetlost ne može pobjeći iz njenog dohvata, nakon što foton ili lagana čestica prijeđu izvan svoje točke povratka, nazvane horizontom događaja. Događajni obzor, horizont događaja ili obzor događaja je površina zamišljene kugle oko sfernosimetrične raspodjele mase iz koje ne može izaći nikakav oblik materije ili energije i predstavlja granicu crne rupe. Da bi izbjegla ovu granicu, čestica bi morala prekršiti zakone fizike i putovati brže od brzine svjetlosti.

Hawking je predvidio da iako ništa što prelazi horizont događaja ne može pobjeći, crne rupe i dalje mogu spontano emitirati svjetlost, zahvaljujući kvantnoj mehanici i nečemu što naziva "virtualnim česticama".

Kao što je objašnjeno Heisenbergovim načelom neodređenosti, čak i potpuni vakuum prostora vrvi parovima 'virtualnih' čestica koje se pojavljuju i odlaze. Te prolazne čestice sa suprotnim energijama obično se gotovo odmah unište, no zbog ekstremnog gravitacijskog privlačenja na horizontu događaja, Hawking je predvidio da se parovi fotona mogu odvojiti, pri čemu bi jednu česticu apsorbirala crna rupa, a druga bi pobjegla u svemir. Apsorbirani foton ima negativnu energiju i oduzima energiju u obliku mase iz crne rupe, dok odbjegli foton postaje Hawkingovo zračenje.

"Hawkingova teorija bila je revolucionarna jer je kombinirao fiziku teorije kvantnog polja s Einsteinovom teorijom opće relativnosti koja opisuje kako materija iskrivljuje prostor-vrijeme", navodi Steinhauer. Ljudi bi željeli provjeriti ovo kvantno zračenje, ali to je vrlo teško s pravom crnom rupom jer je Hawkingovo zračenje izuzetno slabo u usporedbi na pozadinsko zračenje svemira."

Zbog toga su Steinhauer i njegovi kolege kreirali vlastitu crnu rupu od protočnog plina s približno 8.000 atoma rubidija, ohlađenog na gotovo apsolutnu nulu i držanog na mjestu laserskom zrakom. Stvorili su egzotično stanje materije, poznato kao Bose-Einsteinov kondenzat (BEC), koji omogućava tisućama atoma da djeluju zajedno složno kao da su jedan.

Koristeći drugu lasersku zraku, tim je stvorio "liticu" potencijalne energije zbog koje je plin tekao poput vode koja juri niz vodopad, stvarajući tako horizont događaja u kojem je polovica plina tekla brže od brzine zvuka, a druga upola sporije. U ovom eksperimentu tim je tražio parove fonona ili kvantnih zvučnih valova, umjesto parova fotona koji se spontano formiraju u plinu.

Jednom kad su pronašli ove fononske parove, istraživači su morali potvrditi jesu li povezani i je li Hawkingovo zračenje vremenom ostalo konstantno (ako je bilo stacionarno). Taj je postupak bio lukav, jer svaki put kad su snimali svoju crnu rupu, uništavala ju je toplina stvorena u tom procesu. Tako je tim ponovio svoj eksperiment 97.000 puta, s više od 124 dana neprekidnih mjerenja kako bi pronašao korelacije. Na kraju im se strpljenje isplatilo.

"Pokazali smo da je Hawkingovo zračenje stacionarno, što znači da se nije mijenjalo s vremenom, što je upravo ono što je Hawking i predvidio", rekao je Steinhauer.

Istraživači su svoja otkrića detaljno objavili 4. siječnja u časopisu Nature Physics.

SLIKA: Snimka Hawkingova zračenja koje zrači iz "zvučne" crne rupe. Korelacije između Hawkinga i partnerskih čestica vide se kao sive trake koje izlaze iz središta, u gornji lijevi i donji desni kvadrant.