Wissenschaftler haben Hawking-Strahlung in einem künstlichen Schwarzen Loch beobachtet

Schwarze Löcher sind Regionen im Weltraum, in denen die Schwerkraft sehr stark ist - so sehr, dass nichts, was in sie eindringt, entweichen kann. Theoretische Vorhersagen legen nahe, dass es einen Radius um Schwarze Löcher gibt, der als Ereignishorizont bekannt ist. Sobald etwas den Ereignishorizont passiert, kann es dem Schwarzen Loch nicht mehr entkommen, da die Schwerkraft stärker wird, wenn es sich seinem Zentrum nähert.

Der theoretische Physiker Stephen Hawking sagte voraus, dass Schwarze Löcher, obwohl ihnen nichts entweichen kann, spontan eine begrenzte Lichtmenge emittieren, die als Hawking-Strahlung bekannt ist. Nach seinen Vorhersagen ist diese Strahlung spontan (d. H. Entsteht aus dem Nichts) und stationär (d. H. Ihre Intensität ändert sich mit der Zeit nicht viel).

Wissenschaftler des Israel Institute of Technology haben kürzlich Forschungen durchgeführt, um Hawkings theoretische Vorhersagen zu testen. Insbesondere untersuchten sie, ob das Äquivalent der Hawking-Strahlung in einem im Labor erzeugten „künstlichen Schwarzen Loch“ stationär ist.

"Wenn Sie in den Ereignishorizont gehen, können Sie dort nicht raus, dies gilt sogar für Licht", sagte Jeff Steinhower, einer der Forscher. - Hawking-Strahlung beginnt direkt unterhalb des Ereignishorizonts, wo kaum Licht entweichen kann. Es ist wirklich komisch, weil dort nichts ist; Das ist leerer Raum. Und doch kommt diese Strahlung aus dem Nichts, geht aus und ist auf die Erde gerichtet. "

Das von Steinhower und seinen Kollegen geschaffene künstliche Schwarze Loch war etwa 0,1 Millimeter lang und bestand aus einem Gas aus 8.000 Rubidiumatomen, was einer relativ geringen Anzahl von Atomen entspricht. Jedes Mal, wenn die Forscher ein Foto machten, brach das Schwarze Loch zusammen. Um seine Entwicklung im Laufe der Zeit zu beobachten, mussten sie ein Schwarzes Loch erstellen, es fotografieren und dann ein weiteres erstellen. Dieser Vorgang wurde über mehrere Monate viele Male wiederholt.

Hawking-Strahlung von diesem analogen Schwarzen Loch besteht aus Schallwellen, nicht aus Licht. Rubidiumatome bewegen sich schneller als die Schallgeschwindigkeit, sodass Schallwellen den Ereignishorizont nicht erreichen und aus dem Schwarzen Loch entweichen können. Außerhalb des Ereignishorizonts fließt das Gas jedoch langsam, sodass sich Schallwellen frei bewegen können.

„Rubidium fließt schnell und schneller als die Schallgeschwindigkeit, was bedeutet, dass der Schall nicht gegen den Strom gehen kann“, erklärte Steinhauer. - Nehmen wir an, Sie versuchen, gegen den Strom zu schwimmen. Wenn dieser Strom schneller fließt als Sie schwimmen können, können Sie sich nicht vorwärts bewegen, sondern rückwärts, weil sich der Fluss zu schnell und in die entgegengesetzte Richtung bewegt, sodass Sie stecken bleiben. Das bedeutet es, in einem schwarzen Loch zu stecken und zu versuchen, den Ereignishorizont von innen zu erreichen. "

Nach Hawkings Vorhersagen ist die von Schwarzen Löchern emittierte Strahlung spontan. In einer ihrer früheren Studien konnten Wissenschaftler diese Vorhersage in ihrem künstlichen Schwarzen Loch bestätigen. In ihrer neuen Studie wollten sie herausfinden, ob die von ihrem Schwarzen Loch emittierte Strahlung auch stationär ist (dh ob sie über die Zeit konstant bleibt).

"Das Schwarze Loch soll wie ein schwarzer Körper strahlen, der im Wesentlichen ein warmes Objekt ist, das konstante Infrarotstrahlung (dh Schwarzkörperstrahlung) emittiert", sagte Jeff Steinhower. Hawking schlug vor, dass Schwarze Löcher wie gewöhnliche Sterne sind, die ständig eine bestimmte Art von Strahlung emittieren. Dies wollten wir in unserer Forschung bestätigen, und wir haben es getan. “

Hawking-Strahlung besteht aus Photonenpaaren (dh Lichtteilchen): eines kommt aus dem Schwarzen Loch und das andere fällt zurück. Um die Hawking-Strahlung zu identifizieren, die von dem von ihnen erzeugten analogen Schwarzen Loch emittiert wird, suchten die Wissenschaftler nach ähnlichen Schallwellenpaaren, von denen eines aus dem Schwarzen Loch austritt und das andere sich darin bewegt. Durch die Identifizierung dieser Schallwellenpaare versuchten die Forscher festzustellen, ob zwischen ihnen sogenannte Korrelationen bestehen.

"Wir mussten viele Daten sammeln, um diese Zusammenhänge zu erkennen", sagte Jeff Steinhower. „Also haben wir 97.000 Wiederholungen des Experiments durchgeführt. Insgesamt 124 Tage kontinuierliche Messung. “

Insgesamt scheinen die erhaltenen Ergebnisse zu bestätigen, dass die von Schwarzen Löchern emittierte Strahlung stationär ist, wie von Hawking vorhergesagt. Während diese Ergebnisse hauptsächlich für ein analoges Schwarzes Loch gelten, das künstlich erzeugt wurde, können theoretische Studien bestätigen, ob sie auch auf echte Schwarze Löcher angewendet werden können.

Unsere Forschung wirft auch wichtige Fragen auf, da wir während des gesamten Lebens ein analoges Schwarzes Loch beobachtet haben, was bedeutet, dass wir auch gesehen haben, wie die Hawking-Strahlung begann “, sagte Jeff Steinhower. Zukünftige Forschungen könnten versuchen, unsere Ergebnisse mit Vorhersagen darüber zu vergleichen, was in einem echten Schwarzen Loch passieren wird, um festzustellen, ob echte Hawking-Strahlung aus dem Nichts beginnt und sich dann ansammelt, wie wir beobachtet haben.

Irgendwann während der Experimente der Forscher wurde die Strahlung, die ihr Gegenstück zum Schwarzen Loch umgab, sehr stark, als das Schwarze Loch den sogenannten inneren Horizont bildete. Neben dem Ereignishorizont sagt Einsteins allgemeine Relativitätstheorie die Existenz eines inneren Horizonts voraus, eines Radius innerhalb der Schwarzen Löcher, der eine weitere Region näher an seinem Zentrum abgrenzt.

In der Region innerhalb des inneren Horizonts ist die Anziehungskraft viel geringer, sodass sich Objekte frei bewegen können und nicht mehr von der Mitte des Schwarzen Lochs angezogen werden. Sie können das Schwarze Loch jedoch immer noch nicht verlassen, da sie den inneren Horizont nicht in die entgegengesetzte Richtung passieren können (dh in Richtung des Ereignishorizonts gehen).

Grundsätzlich ist der Ereignishorizont die äußere Kugel des Schwarzen Lochs, und darin befindet sich eine kleine Kugel, die als innerer Horizont bezeichnet wird “, sagte Jeff Steinhower. - Wenn Sie durch den inneren Horizont gehen, befinden Sie sich immer noch in einem Schwarzen Loch, aber zumindest spüren Sie nicht die seltsame Physik, in einem Schwarzen Loch zu sein. Sie befinden sich in einer „normaleren“ Umgebung, da die Schwerkraft geringer ist und Sie sie nicht mehr spüren.

Einige Physiker haben vorausgesagt, dass die von ihm emittierte Strahlung stärker wird, wenn ein analoges Schwarzes Loch einen inneren Horizont bildet. Interessanterweise geschah genau dies in dem von Wissenschaftlern geschaffenen analogen Schwarzen Loch. Somit könnte diese Studie andere Physiker dazu inspirieren, den Einfluss der Bildung eines inneren Horizonts auf die Intensität der Hawking-Strahlung zu untersuchen.