Dr Stephen Hawking esitas 1974. aastal häiriva teooria, mille kohaselt mustad augud aurustuvad. Nüüd, 40 aastat hiljem, on teadlane teatanud Hawkingi kiirguse simulatsiooni loomisest laboris.
Musta augu tekkimise võimalus tulenes Einsteini üldise relatiivsusteooria teooriast. Karl Schwarzchild aastal 1916 mõistis esimesena gravitatsioonilise singulaarsuse võimaluse ümbritseva piiriga, millest väljuv valgus või mateeria ei pääse.
Sellel kuul kirjeldab Jeff Steinhauer Iisraeli tehnoloogiainstituudist Technion oma ajakirjas Nature oma artiklis “Hawkingi isevõimendava Hawkingi kiirguse vaatlus analoogse musta auguga laseris”, kuidas ta lõi aine abil analoogse sündmuse horisondi jahutati absoluutse nulli lähedale ja laserite abil oli võimalik tuvastada Hawkingi kiirguse emissioon. Kas see võib olla esimene kehtiv tõend Hawkingi kiirguse olemasolust ja sellest tulenevalt pitseerida kõigi mustade aukude saatus?
See pole esimene katse Hawkingi kiirgusanaloogi loomiseks laboris. 2010. aastal loodi analoog klaasplokist, laserist, peeglitest ja jahutatud detektorist (Phys. Rev. Letter, september 2010); peeglitega ei kaasnenud suitsu. Klaasi läbiva ultra lühikese intensiivse laservalguse impulss tekitas murdumisnäitaja häiringut (RIP), mis toimis sündmuse horisontaalina. Valgust nähti kiirgavat uurimisperioodist. Sellest hoolimata on F. Belgiorno jt tulemused. jäävad vaieldavaks. Rohkem katseid oli endiselt õigustatud.
Steinhaueri viimane katse Hawkingi kiirgust korrata võtab rohkem kõrgtehnoloogilise lähenemisviisi. Ta loob Bose-Einsteini kondensaadi, eksootilise mateeria oleku absoluutse nulltemperatuuri lähedal. Kondensaadi sees tekkinud piirid toimisid sündmushorisondina. Enne täiendavate üksikasjade uurimist asugem siiski sammu tagasi ja mõelgem, mida Steinhauer ja teised proovivad korrata.
Hawkingi kiirguse valmistamise retsept algab musta auguga. Mis tahes suurusega must auk teeb. Hawkingi teooria kohaselt kiirgavad väiksemad mustad augud kiiremini kui suuremad ja kui neisse ei satu ainet, aurustub akretsioon palju kiiremini. Hiiglaslike mustade aukude aurustumine Hawkingi kiirguse toimumisel võib võtta kauem kui miljon korda suurem kui praegune universumi vanus. Nagu aeglase lekkega rehv, viiks enamik mustaid auke lähimasse remondijaama.
Nii et teil on must auk. Sellel on sündmuste horisont. Seda horisonti tuntakse ka kui Schwarzchildi raadiust; valguse või mateeria kontrollimine sündmuse horisonti ei saa kunagi välja tulla. Või nii, see oli aktsepteeritud arusaam, kuni dr Hawkingi teooria selle üles võttis. Ja väljaspool sündmuse horisonti on tavaline ruum, kus on mõned hoiatused; kaaluge seda koos mõne vürtsi lisamisega. Sündmusehorisondil on mustast august pärit gravitatsioonijõud nii ekstreemne, et see kutsub esile ja suurendab kvantmõjusid.
Kogu kosmos - meie sees ja meid ümbritsev Universumi otsteni - sisaldab kvantvaakumit. Kõikjal kosmose kvantvaakumis ilmuvad ja kaovad virtuaalsed osakeste paarid; koheselt hävitades üksteise äärmiselt lühikese aja jooksul. Äärmuslike tingimuste korral sündmushorisondil realiseeruvad virtuaalsete osakeste ja antiosakeste paarid, näiteks elektron ja positron. Neil, mis ilmuvad sündmuse horisondi lähedale, võib olla üks või teine virtuaalne osake, mille mustade aukude raskusjõud tõstab, jättes ainult ühe osakese, mis on nüüd vaba, et lisada musta augu ümbritsevast kiirgusest; kiirgus, mida tervikuna saavad astronoomid kasutada musta augu olemasolu tuvastamiseks, kuid mitte seda otseselt jälgida. See on sidumata virtuaalsete osakeste mass musta augu poolt selle sündmuse horisondi ääres, mis põhjustab Hawkingi kiirgust, mis iseenesest kujutab musta augu massikaotust.
Miks ei otsi astronoomid lihtsalt kosmose kaudu Hawkingi kiirgust? Probleemiks on see, et kiirgus on väga nõrk ja seda katab kiirgus, mis on tekkinud paljude muude füüsikaliste protsesside abil, mis ümbritsevad musta auku akretsioonkettaga. Kiirgus upub energiliste protsesside koor. Seega on kõige vahetum võimalus Hawkingi kiirgust korrata analoogi abil. Ehkki Hawkingi kiirgus on musta augu massi ja energiaga võrreldes nõrk, peab radiatsioon universumis praktiliselt kogu aeg oma emakehas eemalduma.
Just selles suunas, et kasvav mustanahaliste aukude mõistmine lähenes dr Hawkingi loometööle. Teoreetikud, sealhulgas Hawking, mõistsid, et vaatamata kvant- ja gravitatsiooniteooriale, mis on vajalik musta augu kirjeldamiseks, käituvad mustad augud ka mustade kehadena. Neid juhib termodünaamika ja nad on entroopia orjad. Hawkingi kiirguse tootmist võib iseloomustada kui termodünaamilist protsessi ja just see viib meid tagasi eksperimentide juurde. Seda tüüpi kiirguse emissiooni kordamiseks võiks kasutada ka muid termodünaamilisi protsesse.
Kasutades anumas Bose-Einsteini kondensaati, suunas Steinhauer laserkiired õrnale kondensaadile sündmushorisondi loomiseks. Lisaks loob tema katse helilaineid, mis jäävad lõksu kahe piiri vahel, mis määratlevad sündmuse horisondi. Steinhauer leidis, et helilained tema analoogsündmushorisondis võimendati nii, nagu see juhtub valgusega tavalises laserõõnes, aga ka dr Hawkingi mustade aukude teooria kohaselt. Valgus väljub analoogsündmuse horisondi kohal olevast laserist. Steinhauer selgitab, et see põgenev tuli tähistab kaua otsitud Hawkingi kiirgust.
Selle töö ajakirjas Nature avaldamine läbis märkimisväärse vastastikuse eksperdihinnangu, mis nõustus, kuid see üksi ei kinnita tema järeldusi. Steinhaueri töö talub nüüd veelgi suuremat kontrolli. Teised proovivad tema tööd dubleerida. Tema labori seadistused on analoogid ja jääb üle kontrollida, kas see, mida ta jälgib, tähistab Hawkingi kiirgust.
Viited:
„Iseseisvalt võimendava Hawkingi kiirguse vaatlus analoog-musta auguga laseril“, loodusfüüsika, 12. oktoober 2014
“Hawkingi kiirgus ultra lühikestest laserimpulsskiududest”, F. Belgiorno jt, Phys. Kiri, september 2010
“Musta augu plahvatused?”, S. W. Hawking jt, loodus, 1. märts 1974
“Mustade aukude kvantmehaanika”, S. Hawking, American Scientific, jaanuar 1977
