科学者たちは人工ブラックホールでホーキング放射を観測しました

ブラックホールは、重力が非常に強い空間内の領域です。ブラックホールに入るものは何も逃げられないほどです。理論的予測は、事象の地平線として知られているブラックホールを囲む半径があることを示唆しています。何かが事象の地平線を通過すると、重力がその中心に近づくにつれて強くなるため、ブラックホールから逃れることはできなくなります。

理論物理学者のスティーブンホーキングは、ブラックホールから逃れることはできないものの、ブラックホールは自然に限られた量の光を放出すると予測しました。これはホーキング放射として知られています。彼の予測によれば、この放射線は自発的（つまり、何もないところから発生する）で静止している（つまり、その強度は時間とともにあまり変化しない）。

イスラエル工科大学の科学者たちは最近、ホーキングの理論的予測をテストすることを目的とした研究を実施しました。より具体的には、彼らは、実験室で作成された「人工ブラックホール」におけるホーキング放射に相当するものが静止しているかどうかを調査しました。

「事象の地平線の内側に入ると、そこから抜け出すことはできません。これは光でも当てはまります」と、研究者の1人であるジェフスタインハワーは述べています。 -ホーキング放射は、光がほとんど逃げられない事象の地平線のすぐ下から始まります。そこには何もないので、それは本当に奇妙です。これは空きスペースです。それでも、この放射線は無からは何も生じず、出て行き、地球に向けられます。」

スタインハワーと彼の同僚によって作成された人工ブラックホールは、長さが約0.1ミリメートルで、比較的少数の原子である8,000個のルビジウム原子からなるガスで構成されていました。研究者が写真を撮るたびに、ブラックホールは崩壊しました。時間の経過とともにその進化を観察するために、彼らはブラックホールを作成し、それを写真に撮り、そして別のものを作成しなければなりませんでした。このプロセスは、数か月にわたって何度も繰り返されました。

この類似のブラックホールからのホーキング放射は、光ではなく音波で構成されています。ルビジウム原子は音速よりも速く移動するため、音波は事象の地平線に到達してブラックホールから逃げることができません。ただし、事象の地平線の外側では、ガスの流れが遅いため、音波は自由に移動できます。

「ルビジウムは音速よりも速く流れます。つまり、音は流れに逆らうことはできません」とスタインハウアーは説明します。 -流れに逆らって泳ごうとしているとしましょう。この電流が泳ぐことができるよりも速く流れている場合、流れが速すぎて反対方向に動いているため、前進できず、後退します。それが、ブラックホールに閉じ込められて、内側から事象の地平線に到達しようとすることの意味です。」

ホーキングの予測によれば、ブラックホールから放出される放射線は自発的です。彼らの以前の研究の1つで、科学者は彼らの人工ブラックホールでこの予測を確認することができました。彼らの新しい研究では、彼らはブラックホールから放出された放射線も静止しているかどうか（つまり、それが時間の経過とともに一定のままであるかどうか）を調べることに着手しました。

「ブラックホールは黒体のように放射することになっています。これは本質的に、一定の赤外線放射（つまり黒体放射）を放出する暖かい物体です」とジェフスタインハワーは述べています。ホーキングは、ブラックホールは通常の星のようであり、常に特定の種類の放射線を放出することを示唆しました。これが私たちの調査で確認したかったことであり、私たちはそれを行いました。」

ホーキング放射は、光子のペア（つまり、光の粒子）で構成されます。1つはブラックホールから出て、もう1つはブラックホールに戻ります。科学者たちは、自分たちが作成したアナログブラックホールから放出されるホーキング放射を特定するために、ブラックホールから出て、ブラックホールに移動する同様の音波のペアを探しました。研究者たちは、これらの音波のペアを特定することにより、それらの間にいわゆる相関関係があるかどうかを判断しようとしました。

「これらの相関関係を確認するには、多くのデータを収集する必要がありました」とJeffSteinhower氏は述べています。 「それで、97,000回の実験を繰り返しました。合計124日間の連続測定。」

全体として、得られた結果は、ホーキングによって予測されたように、ブラックホールによって放出された放射線が静止していることを確認しているようです。これらの結果は主に人工的に作成されたアナログブラックホールに適用されますが、理論的研究はそれらが実際のブラックホールにも適用できるかどうかを確認するのに役立ちます。

私たちの研究はまた、生涯にわたってアナログブラックホールを観測してきたため、重要な疑問を提起します。つまり、ホーキング放射がどのように始まったかも確認しました」とジェフスタインハワーは述べています。将来の研究では、私たちの結果を実際のブラックホールで何が起こるかについての予測と比較して、実際のホーキング放射がゼロから始まり、その後蓄積するかどうかを確認することができます。

研究者の実験中のある時点で、ブラックホールが内側の地平線として知られているものを形成したため、ブラックホールの対応物を取り巻く放射は非常に強くなりました。事象の地平線に加えて、アインシュタインの一般相対性理論は、ブラックホール内の半径である内側の地平線の存在を予測し、その中心に近いさらなる領域を描きます。

内側の地平線の内側の領域では、引力がはるかに低いため、オブジェクトは自由に移動でき、ブラックホールの中心に引き付けられなくなります。ただし、内側の地平線を反対方向に通過できない（つまり、事象の地平線に向かう）ことができないため、ブラックホールを離れることはできません。

基本的に、事象の地平線はブラックホールの外側の球体であり、その中には内側の地平線と呼ばれる小さな球体があります」とジェフスタインハワーは述べています。 -内側の地平線を通過すると、ブラックホールにいることになりますが、少なくともブラックホールにいるという奇妙な物理学を感じることはありません。重力が低くなり、それを感じなくなるため、より「通常の」環境にいることに気付くでしょう。

一部の物理学者は、アナログブラックホールが内側の地平線を形成すると、それが放出する放射が強くなると予測しています。興味深いことに、これはまさに科学者によって作成されたアナログブラックホールで起こったことです。したがって、この研究は、ホーキング放射の強度に対する内側の地平線の形成の影響を研究するように他の物理学者を鼓舞する可能性があります。