Физики смоделировали в лаборатории систему, имитирующую горизонт события чёрной дыры. Они изучали детали механизма испарения чёрных дыр — теоретически предсказанного излучения Хокинга. Это излучение едва ли можно обнаружить у настоящих чёрных дыр — оно теряется на фоне электромагнитного шума Вселенной. Лабораторный эксперимент — это единственный вариант доказать существование этого гипотетического механизма эволюции чёрных дыр.
В недавнем прошлом учёные уже создавали лабораторные модели чёрных дыр, которые лишь имитируют некоторые физические процессы этих загадочных астрофизических объектов. Ряд моделей были до смешного простыми, например, создающий водоворот слив воды в раковине. Системы посложнее опирались на сверхохлаждённые жидкости и квантовые эффекты. В любом случае, что-то похожее на излучение Хокинга учёные уже наблюдали. Команда из Падерборнского университета в Германии (Paderborn University) пошла дальше и попыталась воспроизвести самый малоизученный аспект излучения Хокинга — этап передачи энергии от чёрной дыры излучению.
Для эксперимента учёные создали оптическую систему на нелинейном оптическом кристалле (волноводе). Платформа имитировала поведение света вблизи горизонта событий чёрной дыры. У настоящей чёрной дыры горизонт событий — это математически рассчитанная граница, из-за которой ничто, включая свет, не может вырваться наружу. В лабораторной модели такой границей стал световой импульс внутри оптоволокна.
В ходе опыта через оптоволокно пропускали мощный короткий лазерный импульс. Он временно менял свойства материала, в частности показатель преломления, с чем тесно связана скорость распространения света в материале. Для другого более слабого зондирующего светового импульса это выглядело как подвижная граница, которую нельзя просто пересечь в обычном режиме. Именно эта граница и стала аналогом горизонта событий. Когда слабый импульс взаимодействовал с этой областью, часть излучения меняла частоту и появлялись пары сигналов, похожие на те, которые должны возникать при излучении Хокинга.
В процессе исследователи увидели не только сам аналог излучения, но и его обратное влияние на систему — имитацию потери энергии чёрной дырой при излучении Хокинга. В лабораторной модели это проявилось как перераспределение энергии внутри лазерного импульса: часть энергии уходила в новые световые компоненты с другими частотами. Физика процесса оказалась похожей на предполагаемый механизм, при котором реальная чёрная дыра постепенно теряет энергию/массу — испаряется.
Чтобы обнаружить очень слабый сигнал, учёным пришлось сравнивать спектры света до и после взаимодействия, отсекать лишние оптические эффекты и регистрировать отдельные компоненты излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Они также проверяли, как сигнал зависит от мощности пробного импульса: одна часть эффекта росла линейно, другая — квадратично, что совпало с расчётами. Авторы осторожно отмечают, что полностью исключить все побочные нелинейные процессы в такой сложной оптической системе нельзя. Поэтому эксперимент не является прямым доказательством испарения настоящих чёрных дыр, но он показывает, как этот процесс может работать на уровне волн и энергии. Но главный вывод заключается в том, что ранее предсказанный каскадный механизм перехода энергии чёрной дыры в излучение Хокинга может быть неверным. Этот процесс более простой и линейный.
Array