Jedina stvar koju svi „znamo“ o crnim rupama jeste da ništa ne može pobjeći njihovoj neumoljivoj gravitaciji.
To je uglavnom tačno – ali još od 1970-ih fizičari predviđaju da bi crne rupe mogle polako gubiti energiju u obliku toplotnog zračenja.
Riječ je o Hawkingovom zračenju, koje je već reprodukovano u laboratorijskim analogijama, ali mehanizam kojim ono oduzima energiju crnoj rupi, poznat kao povratna reakcija (backreaction), do sada je ostao nedovoljno razjašnjen.
Sada je tim fizičara, predvođen Lorenzom Procopiom s Univerziteta u Paderbornu u Njemačkoj, u analogiji crne rupe napravljenoj – ironično – od svjetlosti, uočio analogiju povratne reakcije Hawkingovog zračenja.
Njihovi rezultati objavljeni su u časopisu Nature.
„To pojednostavljuje teorijsko razumijevanje i otvara nove načine izračunavanja efekata u ovakvim sistemima“, rekao je Procopio. „To bi čak moglo rasvijetliti način na koji Hawkingovo zračenje nastaje u kontekstu gravitacije.“
Kako je izveden eksperiment
Crne rupe su najneobičniji i najekstremniji objekti u svemiru.
Toliko su nevjerovatno guste da, kada im se dovoljno približite, više nema bijega od njihove gravitacije.
Zamislite raketu koja napušta Zemlju. Ona mora postići određenu brzinu, poznatu kao brzina oslobađanja, kako bi savladala Zemljinu gravitaciju.
Kod crne rupe u svemiru ne postoji ništa što može postići brzinu oslobađanja, pa čak ni svjetlost. Granica oko crne rupe iza koje ni svjetlost više ne može pobjeći naziva se horizont događaja.
Hawkingovo zračenje, koje je fizičar Stephen Hawking prvi put predložio 1974. godine, predstavlja zračenje crnog tijela za koje se smatra da nastaje zbog kvantnih efekata u blizini horizonta događaja crne rupe.
Međutim, iako je Hawkingovo zračenje dobro potvrđeno i široko prihvaćeno predviđanje kvantne teorije polja u zakrivljenom prostor-vremenu, način na koji se energija prenosi iz crne rupe u zračenje i dalje ostaje otvoreno pitanje.
Najveći problem je isti kao i uvijek kada je riječ o crnim rupama: direktno posmatranje Hawkingovog zračenja trenutno nije moguće. Zapravo, očekuje se da je signal toliko slab da ga možda nikada nećemo moći razlikovati od pozadinskog zračenja koje prožima svemir.
Tu fizičari postaju kreativni.
Umjesto da direktno proučavaju crne rupe, oni prave laboratorijske sisteme koji slijede iste osnovne fizičke zakone.
Neki su iznenađujuće jednostavni, poput vode koja se slijeva u odvod kako bi oponašala tok prostor-vremena oko crne rupe. Drugi koriste ultrahladne Bose-Einsteinove kondenzate ili lance atoma kako bi rekonstruirali fiziku horizonta događaja.
Analogija korištena u ovom istraživanju razvijena je prije više od deset godina, a osmislio ju je koautor rada Ulf Leonhardt s Instituta za nauku Weizmann u Izraelu.
Koristi ultrabrze laserske impulse koji prolaze kroz posebno oblikovano optičko vlakno. Jedan impuls mijenja optička svojstva vlakna taman toliko da za drugi impuls stvori analogiju horizonta događaja.
Raniji eksperimenti s ovim sistemom već su reprodukovali samo Hawkingovo zračenje. Ovoga puta istraživači su tragali za nečim suptilnijim – sićušnom povratnom reakcijom koja pokazuje kako se energija prenosi iz analogije crne rupe u zračenje koje ona emituje.
Povratna reakcija otkrila iznenađenje
Da biste razumjeli povratnu reakciju, korisno je nakratko se prisjetiti Newtona.
Zamislite da vi i prijatelj stojite na koturaljkama. Ako odgurnete prijatelja, on će krenuti naprijed, ali ćete se i vi pomjeriti unazad. Svaka akcija izaziva reakciju – Newtonov treći zakon kretanja.
Povratna reakcija predstavlja upravo takav „trzaj“ u analogiji crne rupe. Kako Hawkingovo zračenje odnosi energiju, sistem koji ga je stvorio mora izgubiti jednaku količinu energije. Upravo taj sićušni gubitak energije istraživači su pokušavali otkriti.
Kada su laserske impulse poslali kroz optičko vlakno, nisu posmatrali prijatelja koji se udaljava. Posmatrali su učinak odgurivanja na onoga koji je gurnuo – malu promjenu u laserskom impulsu koji je stvorio analogiju Hawkingovog zračenja.
Uspjeli su je pronaći – i upravo tu uslijedilo je iznenađenje.
Ranije su fizičari smatrali da Hawkingovo zračenje u analogijama crnih rupa nastaje kroz složen niz optičkih interakcija. Međutim, novi rezultati ukazuju na jedan jedini, direktan proces koji prirodno objašnjava i zračenje i povratnu reakciju.
„Naš eksperiment i teorija na kojoj se zasniva pokazuju da je Hawkingovo zračenje rezultat direktnog procesa, ako je interakcija između zračenja i ekvivalenta gravitacionog polja bikvadratna“, napisali su istraživači u radu.
„Možda i astrofizičke crne rupe zrače kroz proces jednako jednostavan i direktan kao naš. Takva povratna reakcija opisivala bi na mikroskopskom nivou kako crne rupe isparavaju.“
Posmatranje istog procesa oko stvarne crne rupe vjerovatno će još dugo ostati nemoguće.
Međutim, ako se isti mehanizam potvrdi i u drugim vrstama analogija crnih rupa, to bi dodatno učvrstilo pretpostavku da su istraživači otkrili nešto suštinsko o samom Hawkingovom zračenju.
Ako je tako, moglo bi pomoći u rješavanju nekih od najtežih problema teorijske fizike crnih rupa.
„Sve to moglo bi rasvijetliti paradoks informacije“, napisali su istraživači, „problem s kojim se Hawking borio sve do svog posljednjeg rada iz 2018. godine.“
Novo istraživanje objavljeno je u časopisu Nature.