O gaură neagră simulată în laborator a confirmat una dintre cele mai importante predicții ale lui Hawking după 97.000 de încercări

Stephen Hawking teoretiza în 1974 că găurile negre, giganții gravitaționali ai Universului, nu sunt devoratorii de stele complet întunecați pe care astronomii și-i imaginează ci că emit spontan lumină, un fenomen numit acum radiație Hawking, relatează Live Science.

Problema este că niciun astronom nu a observat vreodată radiația misterioasă prezisă de Hawking și, fiindcă se estimează că ar fi foarte slabă, s-ar putea să nu o facă niciodată.

Din acest motiv oamenii de știință își creează propriile găuri negre, lucru pe care l-au făcut și cercetătorii de la Institutul de Tehnologie Technion-Israel (ITTI).

Aceștia au creat un analog de gaură neagră din câteva mii de atomi, încercând să confirme una dintre cele mai importante predicții ale lui Hawking: că radiația Hawking apare din nimic și că nu își schimbă intensitatea în timp, însemnând că este staționară/

„O gaură neagră ar trebui să radieze ca un corp negru care în esență este un obiect cald care emite radiații infraroșii constante”, afirmă Jeff Steinhauer, profesor asociat de fizică la ITTI și coautor al studiului.

„Hawking a sugerat că găurile negre sunt ca stelele obișnuite care emit un anumit tip de radiații tot timpul, constant. Acest lucru am vrut să îl confirmăm în studiul nostru și am făcut-o”, explică acesta.

Reprezentare a unei găuri negre cu orizontul de evenimente (FOTO: NASA)

Orizontul de evenimente

Gravitația unei găuri negre este atât de puternică încât nici lumina nu poate să îi evadeze odată ce un foton (o particulă de lumină) îi trece de orizontul de evenimente, granița de la care viteza de evadare a oricărei mase ar trebui să depășescă viteza luminii.

Pentru a scăpa din această graniță, o particulă ar trebui să încalce legile fizicii și să se deplaseze mai rapid decât viteza luminii.

Hawking a arătat că deși nimic ce trece de orizontul de evenimente nu poate scăpa, găurile negre pot totuși să emită lumină din graniță datorită mecanicii cuantice și a ceva numit „particule virtuale”.

După cum postulează Principiul incertitudinii al lui Heisenberg, chiar și vidul complet al spațiului este plin de perechi de particule „virtuale” care apar și dispar din existență. Aceste particule efemere de energie opusă de obicei se anihilează aproape imediat.

Însă Hawking a sugerat că, datorită atracției gravitaționale de la orizontul de evenimente al unei găuri negre, perechile de fotoni ar putea fi separate, unul dintre aceștia fiind absorbit de gaura neagră și celălat scăpând în spațiu.

Fotonul capturat are energie negativă în timp ce fotonul care a evadat devine radiație Hawking. Acest fenomen, având la dispoziție suficient timp (cu mult mai mult decât vârsta Universului), poate duce la evaporarea completă a unei găuri negre.

„Teoria lui Hawking a fost revoluționară deoarece a combinat fizica teoriei cuantice a câmpurilor cu teoria relativității generale” a lui Einstein care descrie cum materia deformează spațiu-timpul, a declarat Steinhauer pentu Live Science.

„Încă ajută oamenii să caute noi legi ale fizicii prin studierea combinației celor două teorii cu un exemplu fizic. Oamenii ar vrea să confirme această radiație cuantică însă este foarte dificil cu o gaură neagră reală deoarece radiația Hawking este atât de slabă comparativ cu radiația cosmică de fond”, a explicat cercetătorul.

Această problemă i-a inspirat pe Steinhauer și pe colegii săi să își creeze propria gaură neagră, una mult mai sigură și mică decât una reală.

Condensat Bose-Einstein

Gaura neagră creată de cercetători în laborator a fost făcută dintr-un gaz curgător alcătuit din aproximativ 8.000 de atomi de rubidiu răciți până aproape de zero absolut și ținuți în loc de o rază laser.

Aceștia au creat o stare misterioasă a materiei numită condensat Bose-Einstein care permite ca mii de atomi să se comporte împreună la unison de parcă ar fi un singur atom.

Folosind o a doua rază laser, echipa a creat o „prăpastie” de energie potențială care a făcut gazul să curgă ca apa care coboară în jos de pe o cascadă, simulând astfel un orizon de evenimente în care jumătate din gaz curgea mai repede decât viteza sunetului și a doua jumătate mai încet.

În cadrul acestui experiment echipa a căutat perechi de fononi (unde de sunet cuantice) care să apară în existență spontan în loc de fotoni.

Un fonon din jumătatea mai lentă putea călători împotriva scurgerii gazului, distanțându-se de prăpastie în timp ce fononul din jumătatea mai rapidă ar fi fost prins de viteza supersonică a gazului în curgere, explică Steinhauer.

„Este ca și cum ai încerca să înoți contra unui curent care este mai rapid decât poți înota. Este exact ca și cum ai fi într-o gaură neagră, odată ce ești înăuntru, este imposibil să ajungi la orizont”, adaugă acesta.

Odată ce au găsit perechile de fononi, cercetătorii au trebuit să confirme dacă erau corelați și dacă radiația Hawking emisă rămânea constantă în timp (dacă era staționară).

Procesul a fost în mod special de dificil fiindcă de fiecare dată când făceau o fotografie găurii negre aceasta era distrusă de căltura creată în proces.

Așa că echipa a fost nevoită să își repete experimentul de 97.000 de ori în decursul a 124 de zile de măsurători continue pentru a găsi corelațiile.

Însă în cele din urmă răbdarea lor a fost răsplătită.

„Am arătat că radiația Hawking era staționară, însemnând că nu se schimbă în timp, exact ceea ce a prezis Hawking”, a declarat Steinhauer.