Radiația Hawking observată în gaura neagră sonică

O șoaptă dintr-o gaură neagră fabricată în laborator poate confirma existența radiațiilor prezise de fizicianul de la Universitatea din Cambridge, Stephen Hawking, acum patru decenii. Dacă va fi validată de cercetări ulterioare, descoperirea ar oferi dovezi că particulele care clipesc în și în afara existenței pot jefui găurile negre de masă.

„Este o muncă uimitoare, inovatoare”, spune Daniele Faccio, fizician la Universitatea Heriot-Watt din Edinburgh. Lucrarea „demonstrează ceva ce toată lumea credea că este imposibil”.

Timp de decenii, oamenii de știință au considerat găurile negre ca obiecte veșnice din care nimic, nici măcar lumina, nu ar putea scăpa. Dar la mijlocul anilor 1970, Hawking a propus un amendament la această regulă cu implicații uriașe. El a observat că mecanica cuantică permite perechilor de particule să apară în mod spontan în vidul spațiului. De obicei, acele particule se anihilează rapid unele pe altele. Dar dacă s-au format la orizontul evenimentelor – punctul de nereturn al găurii negre – atunci o particulă ar putea fi târâtă, în timp ce cealaltă ar putea scăpa ca energie numită radiație Hawking. Particula care fugă ar lua cu ea o mică parte din masa găurii negre, ceea ce înseamnă că, în viitorul foarte îndepărtat, fiecare gaură neagră din univers va dispărea.

După ce și-au exprimat inițial scepticismul, fizicienii au îmbrățișat în mare măsură ideea radiației Hawking, iar astăzi ea se află în centrul căutării de a unifica relativitatea generală, teoria care explică lucrurile foarte mari din univers și mecanica cuantică, care dictează mic (SN: 31.5.14, str. 16). Cu toate acestea, confirmarea predicției lui Hawking este o provocare extraordinară: radiația emisă de găurile negre aflate la ani lumină distanță este aproape sigur prea slabă pentru a fi detectată cu telescop.

În loc să caute radiația Hawking în găurile negre ale naturii, fizicianul Jeff Steinhauer de la Institutul de Tehnologie Technion-Israel din Haifa a efectuat căutarea pe o gaură neagră de casă care captează sunetul mai degrabă decât lumina. El a folosit lasere pentru a răci o cuvă de atomi de rubidiu la temperaturi de aproximativ o miliardime de grad peste zero absolut. Apoi a pus în mișcare acei atomi suprarăciți, cunoscuți sub numele de condensat Bose-Einstein, creând un râu de rubidiu. Orizontul de evenimente al găurii tăcerii lui Steinhauer a apărut în punctul în care debitul rubidiului a spart bariera sonoră: orice unde sonore emise dincolo de acel punct nu puteau scăpa în amonte (SN: 18.12.10, str. 28).

Succesul experimentului lui Steinhauer s-a bazat pe observarea perechilor de unde sonore care ies din vid la orizontul evenimentelor. Ele s-ar forma prin fluctuații cuantice analoge cu cele prezise de Hawking pentru a produce radiații în jurul unei adevărate găuri negre. Pentru a face această radiație acustică Hawking mai ușor de detectat, Steinhauer a încercat o strategie propusă anterior pentru a face radiația să prolifereze. El a încetinit atomii de rubidiu dincolo de orizontul evenimentelor pentru a crea un al doilea orizont, unul care a ținut undele sonore afară, mai degrabă decât să le tragă înăuntru. Împreună, cele două orizonturi au servit drept amplificator: o undă sonoră care a lovit al doilea orizont ar reveni înapoi către primul orizont de evenimente, unde ar declanșa mai multe perechi de unde sonore care s-au despărțit la limita găurii negre. „Radiația Hawking se amplifică”, spune Steinhauer.

La aproximativ 120 de milisecunde după ce Steinhauer a pus atomii de rubidiu în mișcare, un grup de unde sonore care se intensifica rapid s-a ondulat între cele două orizonturi. În același timp, un lot corespunzător de unde sonore a ieșit din gaura neagră de casă, luând energie cu el. Într-un studiu publicat pe 12 octombrie în Fizica naturiiSteinhauer raportează descoperirea ca semnătură a radiației Hawking.

„Mi se pare un experiment foarte interesant și interesant”, spune William Unruh, un fizician teoretician la Universitatea British Columbia din Vancouver. „Nu aș spune că cazul este dovedit”, spune el, adăugând că undele sonore observate ar fi putut proveni de la un artefact din condensatul Bose-Einstein. „Dar probabil că este cel mai aproape a venit cineva.” În 1981, Unruh a propus crearea unor găuri negre în laborator, dar a scris atunci că detectarea radiațiilor Hawking „este o posibilitate extrem de redusă”.

Faccio, care construiește și analogi de găuri negre și a pretins la un moment dat că a detectat radiația Hawking, spune că Steinhauer a făcut un caz convingător. „Cred că arată dovezi că fluctuațiile provin din vidul cuantic”, spune Faccio. „Experimentul funcționează pentru că predicțiile lui Hawking au fost corecte.” Dar el adaugă că o detectare definitivă ar necesita măsurători sensibile ale undelor sonore generate, inclusiv determinarea dacă acestea au o conexiune cuantică numită întanglement.

Chiar dacă descoperirile lui Steinhauer sunt confirmate, nu este clar cât de mult poate informa o gaură neagră sonică produsă în laborator procesele care guvernează o gaură neagră supermasivă în spațiu. „Arătarea că efectul are loc într-un condensat Bose-Einstein nu dovedește că ar avea loc în găurile negre”, spune Unruh. „Cu toate acestea, cu siguranță îmi crește încrederea că o face. Matematica și rezultatele sunt prea asemănătoare pentru a fi doar o coincidență.”