Стивен Хокинг был прав: черные дыры могут испаряться

В 1974 году Стивен Хокинг сделал одно из своих самых известных предсказаний: черные дыры в конечном итоге полностью испаряются.

Согласно теории Хокинга, которую изучили корреспонденты ИА «Экспресс-Новости», черные дыры не являются абсолютно «черными», а фактически испускают частицы. Это излучение, считал Хокинг, могло в конечном итоге откачать достаточно энергии и массы от черных дыр, чтобы они исчезли. На данный момент широко предполагается, что теория верна, но когда-то считалось почти невозможным ее доказать.

Впервые физики показали это неуловимое излучение Хокинга в условиях лаборатории. Правда, излучение Хокинга слишком слабое, чтобы его можно было обнаружить в космосе современными приборами. Тем не менее, физики уже видели это излучение в аналоге черной дыры, созданном с использованием звуковых волн и некоторых из самых холодных и странных веществ во вселенной.

Пары частиц

Черные дыры обладают такой невероятно мощной гравитационной силой, что даже фотон, движущийся со скоростью света, не может вырваться. В то время как вакуум пространства обычно считается пустым, неопределенность квантовой механики диктует, что вакуум вместо этого кишит виртуальными частицами, которые всплывают и исчезают в парах вещество-антивещество. (Частицы антиматерии имеют такую же массу, что и их аналоги материи, но противоположный электрический заряд).

Обычно после появления пары виртуальных частиц, они немедленно уничтожают друг друга. Однако рядом с черной дырой экстремальные силы тяжести вместо этого раздвигают частицы. Причем одна частица поглощается черной дырой, а другая улетает в космос. Поглощенная частица имеет отрицательную энергию, которая уменьшает энергию и массу черной дыры. Достаточно проглотить эти виртуальные частицы, и черная дыра в конечном итоге испаряется. Выходящая частица становится известной как излучение Хокинга. Это излучение достаточно слабое, поэтому сейчас мы не можем наблюдать его в космосе, но физики придумали очень креативные способы его измерения в лаборатории.

Горизонт событий водопада

Физик Джефф Штайнхауэр и его коллеги из Израильского технологического института Technion в Хайфе использовали чрезвычайно холодный газ, называемый конденсатом Бозе-Эйнштейна, для моделирования горизонта событий черной дыры, невидимой границы, за которую ничто не может выйти. В струящемся потоке этого газа они поместили утес, создав «водопад» газа. Когда газ протекал через водопад, он превращал достаточное количество потенциальной энергии в кинетическую энергию, чтобы течь быстрее скорости звука.

Вместо частиц материи и антивещества исследователи использовали пары фононов или квантовых звуковых волн в потоке газа. Фонон на медленной стороне мог перемещаться против потока газа, вдали от водопада, в то время как фонон на быстрой стороне не мог, захваченный «черной дырой» сверхзвукового газа.

«Это как если бы вы пытались плыть против течения, которое шло быстрее, чем вы могли плыть», - сказал Штайнхауэр. «Вы бы чувствовали, что идете вперед, но вы действительно возвращаетесь. И это аналогично фотону, пытающемуся выбраться из черной дыры, но притягиваемому гравитацией в неправильном направлении».

Хокинг предсказал, что излучение испускаемых частиц будет происходить в непрерывном спектре длин волн и энергий. Он также сказал, что это можно описать одной температурой, которая зависит только от массы черной дыры. Недавний эксперимент подтвердил оба этих прогноза в звуковой черной дыре.

«Эти эксперименты - путешествие силы», - сказал Рено Парентани, физик-теоретик из Лаборатории физической теории Парижского университета. Ученый также изучает аналоговые черные дыры, но с теоретической точки зрения; он не был вовлечен в новое исследование. «Это очень точный эксперимент. С экспериментальной стороны Джефф Штайнхауэр в настоящий момент является ведущим в мире экспертом по использованию холодных атомов для исследования физики черных дыр».

Парентани, однако, подчеркнул, что это исследование является «одним шагом долгого процесса». В частности, это исследование не показало корреляцию фононных пар на квантовом уровне, что является еще одним важным аспектом предсказаний Хокинга. «История будет продолжена», - сказал физик-теоретик. «Это совсем не конец».