Искусственно созданная «черная дыра» дает количественное подтверждение тепловых параметров «излучения Хокинга».
В ходе своей выдающейся карьеры физика-теоретика и космолога покойный Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры — невидимые и массивные явления в космосе, обладающие столь мощной гравитацией, что ничто, даже свет, не может покинуть их — все же испускают излучение.
Предполагалось, что это «излучение Хокинга» должно иметь тепловой спектр, подобный излучению от любого теплого объекта. Температура излучения Хокинга должна была соответствовать температуре, предсказанной американо-израильским астрофизиком Якобом Бекенштейном еще в 1972 году.
И вот теперь группа исследователей физического факультета Техниона — израильского Технологического института в Хайфе — впервые смоделировала искусственную черную дыру и, разработав способ измерения спектра излучения Хокинга, обнаружила, что черные дыры действительно излучают тепло, как и предполагали Хокинг и Бекенштейн. Статья с изложением их работы, исследовательского процесса и результатов опубликована в журнале Nature.
Теория о том, что черную дыру можно создать искусственно и использовать такую модель для измерений физических параметров «излучения Хокинга», появилась еще четыре десятилетия назад. Однако только сейчас ученые смогли создать такую модель и разработать методы измерения спектра излучения Хокинга и его температуры.
«Наша искусственно созданная черная дыра подтверждает теорию теплоизлучения Хокинга», — говорит ведущий исследователь профессор Джефф Штайнхауэр. — «Кроме того, мы обнаружили, что температура определяется искусственной гравитацией на поверхности искусственной черной дыры, что также согласуется с предсказаниями Хокинга».
Успех исследователей Техниона — это еще один существенный шаг к пониманию природы черных дыр, одного из самых загадочных и наименее понятных пока секретов Вселенной.
Интересно, что теория «черных дыр» далеко не такая новая, как нам часто кажется. Концепция существования в космосе объекта с гравитационным полем, слишком сильным, чтобы даже свет мог его покинуть, рассматривалась уже в XVIII веке. Первая современная теория о существовании черных дыр была разработана в 1916 году, но не была полностью описана и считалась математическим курьезом вплоть до конца 1960-х годов, когда теорию обогатли практические знания о ходе коллапса массивных звезд. Хотя их и нельзя было увидеть, ученые быстро пришли к консенсусу о том, что в большинстве галактик существуют черные дыры.
Изучив это явление и проблему в течение десятилетия, команда исследователей Техниона постоянно совершенствовала свои экспериментальные инструменты в течение последних трех лет. Цель состояла в том, чтобы не только создать искусственные черные дыры, но и разработать методы измерения для проверки предсказания Хокинга. Чтобы прийти к своим выводам, эксперимент с излучением Хокинга был повторен 7400 раз на разных профилях плотности.
«Теоретические работы в сочетании с нашим долгосрочным изучением этого вопроса позволили наблюдать спонтанное излучение Хокинга в черной дыре», — рассказывает проф. Штайнхауэр. «Совершенствование нашего экспериментального аппарата позволило нам измерить термичность спектра Хокинга и сравнить полученную температуру с предсказанием Хокинга на базе поверхностной гравитации».
По словам исследователей, эта температура, как они и предполагали, представляет собой интересную связь между теориями Хокинга и астрофизика Якоба Бекенштейна. «Примечательно, что, хотя их расчеты основывались на совершенно разных идеях, Хокинг и Бекенштейн пришли к одному и тому же выводу — температура определяется гравитацией на поверхности черной дыры», — отмечает Штайнхауэр. «Мы подтвердили их прогнозы».
Открытие, сделанное физиками из Техниона, проясняет природу черных дыр, измеряя излучаемый спектр, очень похожий на спектр обычных теплых объектов. Низкий уровень радиации не только подтверждает теорию Хокинга, но и может открыть путь к дальнейшим исследованиям.
По словам Штайнхауэра и его команды, их выводы позволяют увидеть в новом свете не только состояние реальных черных дыр, но и так называемый «информационный парадокс». Согласно Хокингу, излучение и его тепловой спектр содержат очень мало информации. Эта идея лежит в основе информационного парадокса: Какова же судьба информации, попадающей в настоящую черную дыру? Исчезает ли она из вселенной? И если нет, куда она девается?
Исследователи обнаружили, что спектр излучения Хокинга действительно является тепловым. Таким образом, информационный парадокс остается нерешенным и будущим исследователям придется искать ответ на него в других местах.
