Przejdź do treści

Nowy argument na rzecz promieniowania Hawkinga?

Galaktyka NGC 6240

To ważny krok na drodze do eksperymentalnego potwierdzenia istnienia  tak zwanego promieniowania Hawkinga - naukowcy z Izraela donoszą o sztucznym wytworzeniu go w warunkach laboratoryjnych.

Zgodnie z Ogólną Teorią Względności każda czarna dziura jest pułapką bez wyjścia. Cokolwiek przejdzie poza jej horyzont zdarzeń, nigdy się już stamtąd nie wydostanie. Potężna grawitacja  nie pozwala wówczas uciec nawet światłu, które jest  zgodnie z naszą wiedzą najszybszym obiektem we Wszechświecie.

Jednak w ujęciu tej samej Teorii Względności obracająca się wokół własnej osi czarna dziura emituje także pewien rodzaj promieniowania - do takiego w każdym razie wniosku doszedł w roku 1974 Stephen Hawking. Coś zatem z niej jednak wychodzi, o ile tylko weźmiemy pod uwagę subtelne efekty wynikające z mechaniki kwantowej.To tak zwane promieniowanie Hawkinga, będące jednak jak dotąd tylko hipotezą. Miałoby ono być pewnym promieniowaniem elektromagnetycznym, które przypomina nieco promieniowanie ciała doskonale czarnego. Co ciekawe, jego intensywność jest odwrotnie proporcjonalna do masy czarnej dziury. Czarna dziura emitując to promieniowanie traci stopniowo masę, a jeśli żadna dodatkowa materia wówczas do niej nie wpada, promieniowanie Hawkinga staje się coraz silniejsze w miarę dalszego ubytku masy.

O ile czarne dziury faktycznie promieniują w ten sposób, ma to ciekawe konsekwencje dla ich fizyki. Oznacza to na przykład, że czarne dziury powoli i systematycznie wyparowują. Promieniowanie to jest jednak zbyt słabe, aby mogły je wykrywać nasze współczesne instrumenty obserwacyjne. Fizycy mogą jednak zrobić coś innego: przetestować hipotezy opisujące promieniowanie Hawkinga na bazie laboratoryjnego modelu czarnej dziury. Modele takie mogą być zaskakująco różne... i proste.

Użyty w tych badaniach model zbudowano z wykorzystaniem układu tak zwanych nieliniowych włókien światłowodowych. Model taki nie generuje oczywiście prawdziwych efektów grawitacyjnych w otoczeniu czarnej dziury, ale opisująca go matematyka jest w dużej mierze taka sama jak matematyka opisująca czarne dziury w Ogólnej Teorii Względności. Zastosowane światłowody miały w środku niewielkie struktury w formie nałożonego wzoru. Wchodzące do takiego przewodu światło nieco zwalniało. Analogiem dla klasycznego horyzontu zdarzeń były tu dwa bardzo szybkie impulsy światła laserowego - o różnych barwach. Wpuszczano je razem do światłowodu, dzięki czemu udało się zaobserwować ich wzajemną interferencję. Gdy pierwszy puls interferował z drugim, powstawał lokalny efekt horyzontu zdarzeń, obserwowany jako zmiany we współczynniku załamania światła.

Naukowcy dodali jednak do tego układu dodatkowe światło, co spowodowało wzrost promieniowania z tak zwaną częstotliwością ujemną. Promieniowanie to zdawało się czerpać energię z wygenerowanego wcześniej "horyzontu zdarzeń" - co uznano za poprawny wskaźnik istnienia stymulowanego promieniowania Hawkinga.

Wyniki te są ciekawe, ale to jeszcze nie koniec. Fizycy mają nadzieję, że ostatecznym ukoronowaniem takich badań będzie zaobserwowanie spontanicznego promieniowania Hawkinga. Doprecyzujmy tu - zaobserwowana emisja stymulowana wymagała dodania zewnętrznego impulsu światła - wyzwalacza elektromagnetycznego. Tymczasem promieniowanie Hawkinga wydobywające się z czarnej dziury powinno być zjawiskiem spontanicznym. Istnieją też inne problemy związane z doświadczeniami, w których uzyskuje się stymulowane promieniowanie Hawkinga -  wyniki te rzadko są wystarczająco jednoznaczne. W omawianym eksperymencie trudno jest na przykład mieć stuprocentową pewność, że dodatkowa emisja nie powstała na drodze wzmocnienie “normalnego” promieniowania - choć zespół fizyków utrzymuje, że rzeczywiście uchwycił promieniowanie Hawkinga.


Czytaj więcej:

 

Źródło: Michelle Starr/ScienceAlert

Na zdjęciu: Galaktyka NGC 6240 sfotografowana przez teleskop kosmiczny Chandra. W jej centrum znajdują się dwie czarne dziury, które emitują ogromne ilości promieniowania rentgenowskiego.
Źródło: NASA