Гигантский квантовый вихрь поможет учёным изучить эволюцию чёрных дыр. Вихрь представляет собой круговые потоки - течения - в особом виде жидкого гелия, демонстрирующие квантовые эффекты. По своим характеристикам он напоминает поведение черных дыр, что позволяет ему выступать в роли своеобразного симулятора.
Физикам удалось сформировать "гигантский квантовый вихрь", имитирующий черную дыру. Черные дыры трудно поддаются изучению, поэтому физики "построили" мощный квантовый вихрь в резервуаре со сверхтекучим гелием, который и выступает в качестве симулятора черной дыры.
В окрестностях черных дыр происходит взаимодействие законов гравитации и квантовой физики, что приводит к эффектам, которые больше нигде в космосе не наблюдаются. Именно поэтому астрофизики хотят как можно больше узнать об этих областях. "Вокруг черных дыр происходит множество любопытных физических процессов, но большая их часть остается недоступной для нашего понимания", - говорит Силке Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner) из британского Университета Ноттингема (University of Nottingham). "С помощю таких квантовых симуляторов мы попытаться изучить явления, которые происходят вокруг черных дыр".
Для создания квантового симулятора Вайнфуртнер и ее коллеги воспользовались сверхтекучим гелием, который обладает необычайно низкой вязкостью - в 500 раз меньше, чем у воды. Поскольку он движется практически без трения, эта форма гелия проявляет необычные квантовые эффекты, такую жидкость также называют квантовой. Физики поместил гелий в емкость с пропеллером на дне. Когда пропеллер вращался, он создавал в жидкости вихрь, похожий на смерч.
Струи плазмы коллапсаров способны замедлять вращение черных дыр почти до полной остановки
"Хотя подобные вихри создавались и ранее в рамках других экспериментов, не использующих сверхтекучий гелий, их сила обычно была на пару порядков слабее", - рассказывает научный сотрудник Ноттингемского университета Патрик Шванчара (Patrik Švančara), участник команды. "Сила и размер вихря имеют ключевое значение для создания заметных для наблюдения взаимодействий между вихрем и остальной жидкостью в резервуаре", добавил эксперт.
Ученые отметили, что вихрь, сформированный в этом проекте, имел в диаметре несколько миллиметров. И это намного больше, чем другие стабильные вихри, созданные в квантовых жидкостях в прошлом. Создать столь большой вихревой поток довольно проблематично, поскольку в квантовых жидкостях вращение происходит только в крошечных " пакетах" или квантах, которые, по сути, сами являются маленькими вихрями.
Ученые отметили, что вихрь, сформированный в этом проекте, имел в диаметре несколько миллиметров. И это намного больше, чем другие стабильные вихри, созданные в квантовых жидкостях в прошлом. Создать столь большой вихревой поток довольно проблематично, поскольку в квантовых жидкостях вращение происходит только в крошечных " пакетах" или квантах, которые, по сути, сами являются маленькими вихрями. Когда их скапливается много, они утрачивают свою стабильность. Однако экспериментальная установка позволила физикам объединить более 40 тысяч вращающихся квантов и сформировать так называемый "гигантский квантовый вихрь".
На рисунке изображены две различные конфигурации гигантского квантового вихря. a. При низкой частоте вращения винта (около 1 Гц) на поверхности наблюдается заметное углубление, а ядро вихря под ним принимает форму компактного поляризованного скопления одиночных циркулирующих квантов (так называемое твердое ядро). b. При увеличении частоты (до 2 Гц) появляется полностью сформированное полое ядро, которое ведет себя как многократно квантованный объект. Темные вертикальные полосы на заднем плане создают контраст с изображенным интерфейсом. Упрощенный эскиз этого интерфейса (белые линии) помог идентифицировать эти режимы на последующих этапах эксперимента.
"Это экспериментальная работа", - считает Джефф Стейнхауэр из Техниона - Израильского технологического института, пионер лабораторного моделирования черных дыр. "Они взяли очень хорошо зарекомендовавшую себя, старую, классическую технологию сверхтекучего гелия, сделали с ней что-то действительно новое и значительно расширили технологические возможности по сравнению с тем, что было сделано в прошлом", добавил он.
В рамках эксперимента исследователи наблюдали, как крошечные волны в жидкости взаимодействуют с вихрем. Примерно тоже самое происходит в космосе при взаимодействии черных дыр с вращающимися вокруг них областями пространства-времени или эргосферой.
В рамках эксперимента исследователи наблюдали, как крошечные волны в жидкости взаимодействуют с вихрем. Примерно тоже самое происходит в космосе при взаимодействии черных дыр с вращающимися вокруг них областями. Исследователи также обнаружили намеки на такой феномен черных дыр как режим Ring Down. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна подробно описывает, что происходит при столкновении двух черных дыр.
На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной
Гравитационные волны испускаются в три фазы: при инспирации, при слиянии и когда вновь образованная пока еще "искривленная" бинарная черная дыра переходит в свою финальную стадию. Последняя фаза, называется "Ring Down" и представляет собой период колебаний черной дыры в доли секунды. Колебания или вибрации черной дыры происходят за счет остаточной энергии, полученной при слиянии.
Убедившись, что подобные модели демонстрируют поведение, аналогичное процессам, характерным для черных дыр, в будущем исследователи планируют использовать квантовые вихри для изучения более сложных явлений. "Это идеальный отправной пункт для изучения некоторых процессов физики черных дыр, с возможностью поиска новых нестандартных идей и обнаружения скрытых сокровищ на этом пути", - говорит Вайнфуртнер.
Аннотация к научной статье
Сигнатуры вращающегося искривленного пространства-времени гигантского квантового вихря
Симуляторы гравитации — это лабораторные системы, в которых малые возбуждения, скажем, звуковые или поверхностные волны, ведут себя как поля, распространяющиеся в искривленной геометрии пространства-времени. Аналогия между гравитацией и жидкостями требует отсутствия вязкости, что, характерно для сверхтекучих жидкостей, таких как жидкий гелий или холодных атомных облаков. Такие системы позволили подтвердить ключевые предсказания квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени.
Реализация стационарного гигантского квантового вихря в криогенной среде. a, Диск (1) магнитно связан с приводом комнатной температуры и позволяет достичь частоты вращения до 3 Гц. Диск приводит в движение пропеллер (2), работающий как центробежный насос, создавая непрерывный контур циркуляции He II через специально созданный стабилизатор потока (3), декорированный специльным узором (4). В центре обозначенной экспериментальной зоны образуется нисходящий вихрь (5). b, На схеме показан принцип работы технологии рециркуляции. c, Деталь на краю кондиционера потока, оснащенная 18 наклонными отверстиями. d, Схематическое изображение одного из таких отверстий с размерами в миллиметрах.
В частности, квантовое моделирование вращающихся искривленных пространств, характерных для астрофизических черных дыр, требует реализации обширного вихревого потока в сверхтекучих системах. В рамках данного эксперимента авторы показали, что, несмотря на неустойчивость, присущую мноквантовым вихрям, стационарный гигантский квантовый вихрь может быть стабилизирован в сверхтекучем 4He. Его компактное ядро содержит тысячи циркулирующих квантов, что превосходит существующие ограничения в других физических системах, таких как магноны, атомные облака и поляритоны.
Эксперты предложили минимально инвазивный способ оценки характеристик вихревого потока, используя взаимодействие микрометровых волн на границе раздела сверхтекучих сред с фоновым полем скоростей. В ходе исследования были обнаружены сложные взаимодействия между волнами и вихрями, включая регистрацию связанных состояний и характерные сигнатуры аналога затухания "Ring Down" черной дыры. Эти результаты открывают новые возможности для изучения переходов от квантовых к классическим вихрям и использования сверхтекучего гелия в качестве симулятора квантовой теории поля с конечной температурой для вращающихся искривленных пространств.