O micro-gaură neagră sonică, generată în laborator, confirmă o teorie formulată de Stephen Hawking: Găurile negre emit o formă de radiație / Echipa de fizicieni a repetat experimentul de nu mai puţin de 97.000 de ori 

Fizicienii dintr-o echipă de la Institutul Tehnologic Technion din Israel au reuşit să demonstreze o teorie formulată de Stephen Hawking, conform căreia găurile negre emit o formă de radiaţie, pornind de la studiul unor micro-găuri negre generate în condiţii de laborator, transmite marţi Live Science, care preia un studiu publicat în luna ianuarie de Nature Physics, citată de Agerpres.

În 1974, fizicianul Stephen Hawking a lansat teoria conform căreia găurile negre, supermasivele puţuri gravitaţionale care distrug chiar şi stelele care se apropie prea mult de ele, nu sunt atât de „negre” precum se credea, întrucât pot emite în mod spontan radiaţii – un fenomen ce a primit numele de radiaţia Hawking, conform Live Science.

Această teorie nu a putut să fie verificată empiric pentru că niciun astronom nu a putut să observe vreodată radiaţia Hawking, iar cum manifestările naturale ale acestei radiaţii sunt imposibil de detectat în cazul găurilor negre cosmice, se părea că teoria lui Hawking va rămâne doar o teorie. Iată însă că lucrurile s-au schimbat şi, chiar dacă este în continuare imposibil să se apropie suficient de mult de o gaură neagră pentru a-i studia emisiile de radiaţii, oamenii de ştiinţă pot în schimb să genereze găuri negre miniaturale în condiţii de laborator.

Cercetătorii israelieni au reuşit să creeze în laborator echivalentul unei găuri negre din câteva mii de atomi. Ei şi-au propus să verifice două dintre cele mai importante predicţii lansate de Stephen Hawking – că emisia de radiaţie Hawking este un proces cuantic ce se produce spontan, din „nimic”, şi că această radiaţie este staţionară (nu-şi schimbă intensitatea în timp).

„O gaură neagră ar trebui să radieze la fel ca orice corp negru, care este un obiect cald ce emite în mod constant radiaţii în spectrul infraroşu”, a declarat unul dintre coautorii noului studiu, Jeff Steinhauer, profesor asociat de fizică la Institutul Technion. „Hawking a sugerat că găurile negre se comportă (din această perspectivă) la fel ca toate stelele, care radiază în mod constant un anumit tip de energie. Aceasta este ipoteza pe care am dorit să o confirmăm prin studiul nostru şi am reuşit”, a adăugat el.

Orizontul evenimentului

Gravitaţia unei găuri negre este atât de puternică, încât nici măcar lumina nu-i poate scăpa, odată ce particulele de lumină au trecut de orizontul evenimentului. Pentru a scăpa din orizontul evenimentului, orice particulă ar trebui să încalce legile fizicii şi să accelereze până la viteze hiperluminice.

Stephen Hawking a arătat că, deşi nicio particulă care trece dincolo de orizontul evenimentului nu mai poate evada din gaura neagră, găurile negre pot emite spontan radiaţii de la marginea orizontului evenimentului, conform principiilor mecanicii cuantice.

După cum explică Werner Heisenberg în aşa-numitul Principiu al Incertitudinii, chiar şi vidul cosmic nu este deloc un vid, fiind populat din abundenţă de perechi de particule virtuale care apar şi dispar. Astfel de perechi de particule au energii opuse şi de obicei se anihilează reciproc aproape instantaneu.

Însă, din cauza extremei atracţii gravitaţionale exercitate la nivelul orizontului evenimentului, Stephen Hawking a sugerat că perechi de fotoni ar putea fi separaţi dacă aceştia apar de o parte şi de alta a liniei de demarcaţie a orizontului evenimentului. Astfel, o particulă este înghiţită de gaura neagră, în timp ce perechea sa evadează în spaţiu.

Fotonul care este absorbit de gaura neagră are energie negativă şi astfel sustrage energie sub formă de masă de la gaura neagră. Fotonul care reuşeşte să evadeze a primit denumirea de radiaţie Hawking. În urma unui astfel de proces, susţinea Hawking, o gaură neagră se poate evapora complet (prin pierderea masei sale, particulă cu particulă) într-un interval de timp imposibil de calculat, dar estimat a fi mult mai mare decât vârsta Universului.

„Teoria lui Hawking a fost revoluţionară pentru că a combinat fizica teoriei câmpului cuantic cu relativitatea generală”, teoria lui Einstein, care descrie modul în care materia deformează continuul spaţiu-timp, a explicat profesorul Steinhauer pentru Live Science.

„Ne-ar fi plăcut să putem verifica în spaţiu această teorie a radiaţiei cuantice, însă este foarte dificil în cazul unei găuri negre reale pentru că radiaţia Hawking este extrem de slabă prin comparaţie cu radiaţia de fundal a spaţiului” a adăugat el.

Pentru a depăşi această problemă, Steinhauer şi colegii lui şi-au creat propria gaură neagră – una minusculă, de laborator.

Gaura neagră de laborator

Gaura neagră generată de cercetători în laborator era alcătuită dintr-un flux de gaz format din aproximativ 8.000 de atomi de rubidiu răciţi până aproape de zero absolut şi menţinuţi laolaltă de o rază laser. Astfel, ei au creat o stare exotică a materiei, denumită „condensat Bose-Einstein” (BEC), stare în care aceste câteva mii de atomi se comportă la unison, ca şi când ar fi un singur atom.

Folosind o a doua undă laser, echipa a creat un vârf de energie potenţială, ceea ce a dus la formarea unei „cascade” din gazul folosit în experiment, similară unei cascade obişnuite şi obţinând un orizont al evenimentului în care jumătate dintre atomii de gaz se deplasau cu o viteză supersonică, în timp ce cealaltă jumătate se deplasau cu o viteză mai mică.

În cadrul acestui experiment, echipa a căutat perechi de fononi (unde sonice cuantice) care se formează în mod spontan în gaz, în loc de perechi de fotoni.

Astfel, un fonon din partea subsonică a experimentului poate să călătorească în amontele fluxului de gaz, îndepărtându-se de vârful de energie potenţială, în timp ce un fonon din jumătatea supersonică a fluxului rămâne prizonier în „cascadă”. „Este ca şi cum ai încerca să înoţi împotriva unui curent care este mai rapid decât viteza ta maximă de înot. Adică este la fel ca şi când te-ai afla în interiorul unei găuri negre de unde este imposibil să mai atingi orizontul evenimentului”, a explicat profesorul Steinhauer.

Odată ce au detectat aceste perechi de fononi, cercetătorii au trebuit să confirme dacă erau corelate şi dacă radiaţia Hawking rămâne constantă de-a lungul timpului (dacă este staţionară). Acest proces a fost dificil, pentru că ori de câte ori fotografiau „gaura neagră” generată, aceasta era distrusă de căldura rezultată în acest proces. În consecinţă, echipa a repetat experimentul de nu mai puţin de 97.000 de ori şi a avut nevoie de peste 124 de zile de măsurători continue pentru a evidenţia aceste corelaţii dintre fononi. În cele din urmă, răbdarea le-a fost răsplătită.

„Am demonstrat că radiaţia Hawking este staţionară, ceea ce înseamnă că nu se modifică în timp, ceea ce este exact lucrul prezis de Haking”, a subliniat profesorul Steinhauer.