Тепловой спектр излучения Хокинга подтвердили для акустического аналога черной дыры

30 мая 2019
37

Физики подтвердили тепловую природу излучения Хокинга «глухой» дыры — одного из самых достоверных аналогов гравитационного излучения Хокинга. Для этого ученые измеряли корреляции между плотностями бозе-конденсата, в котором возникала «глухая» дыра, и сравнивали спектр корреляций с распределением Планка. Найденная таким образом температура Хокинга «глухой» дыры составила около 0,35 нанокельвин, что согласуется с теорией в пределах погрешности эксперимента. Результаты измерений исследователи опубликовали в Nature.

В 1974 году Стивен Хокинг обнаружил, что из-за квантовых эффектов черные дыры испускают тепловое излучение, причем температура и интенсивность этого излучения тем выше, чем меньше дыра. Тепловое излучение — это излучение, энергия которого подчиняется закону Планка. В настоящее время физикам известно множество эвристических объяснений, которые указывают на эффект Хокинга. Чаще всего этот эффект объясняют с помощью виртуальных пар частиц, одна из которых «проваливается» под горизонт событий, а другая улетает на бесконечность. Разумеется, это упрощенное объяснение не совсем корректно. Подробно прочитать про излучение Хокинга можно в материалах «Летописец времени»«Что общего между излучением Хокинга и эффектом Унру?» и «Эффект Унру». К сожалению, обнаружить излучение Хокинга у настоящей черной дыры — а тем более подтвердить его тепловой спектр — физики до сих пор не смогли. И скорее всего не смогут даже в далеком будущем. Дело в том, что астрономические черные дыры имеют очень маленькую температуру — например, температура черной дыры с массой Солнца составляет всего 6×10−8 кельвин. Увидеть такое излучение не может даже самый точный телескоп (потому что оно почти в миллиард раз слабее реликтового излучения). Создать миниатюрную черную дыру в лаборатории при текущем уровне развития техники тоже невозможно. Тем не менее, в лаборатории можно построить аналог черной дыры — систему, которая эффективно моделирует горизонт событий и, соответственно, эффект Хокинга. Один из первых примеров такой системы теоретически рассмотрел еще в 1981 году Уильям Унру; в общих чертах, в этом примере черная дыра моделировалась сходящимся потоком жидкости. А примерно с середины прошлого десятилетия некоторые из предложенных моделей начали проверять в настоящих экспериментах.

На данный момент один из самых достоверных аналогов излучения Хокинга наблюдал в 2016 году израильский физик Джефф Штейнхауэр, работавший с так называемой «глухой» дырой. Чтобы создать такую дыру, ученый получал бозе-конденсат холодных атомов рубидия и разделял его на две области. В одной области атомы двигались с дозвуковой скоростью, во второй — со сверхзвуковой скоростью, разделяющая области граница служила аналогом горизонта событий, а фононы (кванты звука) — аналогами фотонов. С этим связано название «глухой» дыры: звуковые волны, попавшие в «сверхзвуковую» область, никогда ее не покидают. В результате пары фононов, которые рождаются вблизи горизонта событий, разрываются и формируют характерную картину корреляций. Измеряя эти корреляции, физик подтвердил, что излучение аналоговой черной дыры напоминает излучение Хокинга. Впрочем, в этой работе Штейнхауэр рассматривал только пары фононов со сравнительно высокой энергией, тогда как оставшийся спектр оставался неизмеренным. Кроме того, физик не оценивал температуру Хокинга для построенного аналога черной дыры