Μαύρη τρύπα εργαστηρίου «εκπέμπει ακτινοβολία Χόκινγκ»

13 Οκτωβρίου 2014    Egno Editorial

Έχουν περάσει ακριβώς 40 χρόνια (το 2014) από τότε που ο Βρετανός φυσικός Στίβεν Χόκινγκ σόκαρε τους συναδέλφους του ανακοινώνοντας ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτινοβολία, τη λεγόμενη ακτινοβολία Χόκινγκ. Σαράντα χρόνια μετά, ένα πείραμα εργαστηρίου δείχνει να επιβεβαιώνει τη θεωρία.

Οι μαύρες τρύπες, σημεία στο χώρο όπου η πυκνότητα της ύλης φτάνει στο άπειρο, έχουν τόσο ισχυρό βαρυτικό πεδίο ώστε τίποτα, ακόμα και το φως, δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη θανάσιμη έλξη τους. Το 1974, όμως ο Χόκινγκ διατύπωσε τη θεωρία ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι απόλυτα μαύρες, αλλά εκπέμπουν συνεχώς μια αμυδρή ακτινοβολία. Η λεγόμενη ακτινοβολία Χόκινγκ είναι αποτέλεσμα κβαντικών φαινομένων. Σύμφωνα με τη κβαντική θεωρία, το κενό δεν είναι ποτέ απόλυτα άδειο αλλά βρίθει από «εικονικά σωματίδια» ύλης και αντιύλης, τα οποία εμφανίζονται μόνο για μια στιγμή πριν αλληλοεξουδετερωθούν και πάψουν να υπάρχουν.

Αν όμως ένα τέτοιο ζευγάρι σωματιδίων εμφανιστεί κοντά σε μια μαύρη τρύπα, το ένα μπορεί να χαθεί μέσα της για πάντα, οπότε το δεύτερο είναι ελεύθερο να δραπετεύσει και να συνεχίσει τη ζωή του ως κανονικό σωματίδιο. Η ακτινοβολία Χόκινγκ αποτελείται από αυτά ακριβώς τα σωματίδια, είναι ωστόσο υπερβολικά αμυδρή για να καταγραφεί σε πραγματικές συνθήκες.

Μια εναλλακτική λύση για τη μελέτη της είναι η προσομοίωση του φαινομένου στο εργαστήριο. Ο Τζέιμς Στάινχαουερ, ερευνητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Technion-Israel στη Χάιφα του Ισραήλ, δημιούργησε ένα ανάλογο μιας μαύρης τρύπας το οποίο παγιδεύει ηχητικά κύματα αντί για φως.

Η ομάδα του Στάινχαουερ πάγωσε άτομα ρουβιδίου κοντά στο απόλυτο μηδέν για να δημιουργήσει ένα «συμπύκνωμα Μπόζε-Αϊνστάιν», μια κατάσταση της ύλης στην οποία πολλά παγωμένα άτομα συμπεριφέρονται συλλογικά σαν ένα άτομο.
Χρησιμοποιώντας ακτίνες λέιζερ, οι ερευνητές επιτάχυναν ένα μέρος του συμπυκνώματος πέρα από την ταχύτητα του ήχου. Αυτό σημαίνει ότι όσα ηχητικά κύματα ταξίδευαν μέσα στο συμπύκνωμα αντίθετα από την κατεύθυνση κίνησής του θα παγιδεύονταν στο εσωτερικό του ακριβώς όπως θα παγιδευόταν το φως από μια μαύρη τρύπα.

Το συμπύκνωμα γίνεται έτσι ανάλογο του «ορίζοντα γεγονότων» γύρω από μια μαύρη τρύπα, το όριο πέρα από το οποίο δεν υπάρχει δυνατότητα επιστροφής. Όπως το κενό βρίθει από ζευγάρια εικονικών σωματιδίων, ζευγάρια ηχητικών κυμάτων εμφανίζονται μέσα στην πειραματική διάταξη λόγω κβαντικών φαινομένων. Τα κύματα αυτά κανονικά αλληλοεξουδετερώνονται, ενίοτε όμως το ένα κύμα παγιδεύεται στον ορίζοντα των γεγονότων ενώ το δεύτερο είναι ελεύθερο να συνεχίσει την πορεία του.

Το πρόβλημα όμως είναι ότι τα κύματα αυτά είναι πολύ αμυδρά και πρέπει να ενισχυθούν προκειμένου να καταγραφούν. Για να γίνει αυτό οι ερευνητές δημιούργησαν έναν δεύτερο ορίζοντα γεγονότων τον οποίο δεν μπορούσαν να διαπεράσουν τα ηχητικά κύματα. Αυτό ανάγκασε τα κύματα να αναπηδούν συνεχώς από τον ένα ορίζοντα στον άλλο, πυροδοτώντας τη γέννηση νέων ζευγαριών κυμάτων και ενισχύοντας το σήμα του πειράματος μέχρι να φτάσει σε μετρήσιμα επίπεδα. Παραμένει ωστόσο ασαφές αν το μοντέλο που δημιούργησαν οι ερευνητές προσομοιώνει με ακρίβεια τη συμπεριφορά μιας πραγματικής μαύρης τρύπας.

Η εικόνα θα μπορούσε να γίνει πιο σαφής αν η ερευνητική ομάδα καταφέρει να καταγράψει το ανάλογο της ακτινοβολίας Χόκινγκ χωρίς να χρησιμοποιήσει έναν δεύτερο ορίζοντα των γεγονότων. Δεδομένου όμως ότι η ακτινοβολία Χόκινγκ από τις μαύρες τρύπες θεωρείται πρακτικά αδύνατο να καταγραφεί άμεσα με τις σημερινές τεχνολογίες, τα εργαστηριακά ανάλογα των μελανών οπών μάλλον θα παραμείνουν για καιρό το βασικό εργαλείο για τη μελέτη τους. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Nature Physics».