Wetenschap

Zwart gat opgeroepen in een lab doet dezelfde rare dingen die Stephen Hawking dacht dat het zou doen

2024

Wanneer iets de natuurkunde uit elkaar scheurt, steek je over naar de quantum rijk, een plek die wordt bewoond door zwarte gaten, wormgaten en andere dingen die de sterren zijn geweest van meerdere sci-fi-films. Wat in het kwantumrijk leeft, is (nog) niet bewezen of gedraagt zich vreemd als het bestaat.

Zwarte gaten wagen zich vaak in dat rijk. Met deze ingestorte sterren - althans de meeste zijn - onmogelijk om een ruimtevaartuig in te vliegen (tenzij je het nooit meer wilt zien), besloot een natuurkundige dat de beste manier om er dichtbij te komen onder een letterlijke microscoop was. Jeff Steinhauer wilde weten of zwarte gaten deeltjes uitstralen zoals wijlen Stephen Hawking theoretiseerde dat ze zouden doen. Omdat een van deze leviathans nooit in een laboratorium zou passen, creëerden hij en zijn onderzoeksteam er een hier op aarde.

We moeten begrijpen hoe we de geluidsgolven van de Hawking-straling zien binnenkomen en naar buiten komen, Steinhauer, die co-auteur was van een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Natuurfysica , vertelde SYFY WIRE. Ze moeten heel klein zijn. Het zien van deze straling van een echt zwart gat is te zwak en zou volledig worden overweldigd door andere stralingsbronnen, daarom willen we het in een analoog systeem zien.

Deze analoog van een zwart gat was meer een buis in tegenstelling tot de spectaculaire wervelende dingen die je zou kunnen zien in NASA-afbeeldingen zoals die hierboven. Hoe dan ook, de lichtshow rond zo'n monsterlijke zwarte gaten is eigenlijk gewoon al het stof en gas en ander sterrenmateriaal dat het verslindt. Het team van Steinhauer had geen behoefte aan een hele accretieschijf . Ze wilden gewoon zien of een van de kwantumverstrengelde deeltjes naar de rand van de... gebeurtenishorizon zou ontsnappen zoals Hawking voorspelde. Kwantumverstrengeling betekent dat twee deeltjes zich op exact dezelfde manier zullen gedragen, waar ze zich ook in tijd en ruimte bevinden.

Stephen Hawking, die theoretiseerde dat zwarte gaten fotonen terug in de ruimte uitstralen. Krediet: Frederick M. Brown/Getty Images

Wanneer een van een paar verstrengelde deeltjes te ver gaat en de waarnemingshorizon passeert, maar de andere erin slaagt net op de rand van het punt van geen terugkeer te blijven, zal het uiteindelijk terug de ruimte in worden uitgestraald. Dit is Hawking-straling. In een analoog zwart gat gemaakt van rubidium gas, vervingen onderzoekers geluidsgolven voor de lichtgolven die zwarte gaten in de ruimte eten omdat rubidium-atomen sneller zoomen dan de snelheid van het geluid, dus geen enkele geluidsgolf die de waarnemingshorizon bereikt, kan ooit ontsnappen. De andere verstrengelde geluidsgolf zou zich echter buiten de waarnemingshorizon bevinden, waar de gasstroom veel langzamer was en hij zich kon verplaatsen.

We moesten op zoek naar iets gecorreleerd binnen en buiten het zwarte gat, zei Steinhauer. Elke keer dat er een beetje golf in het zwarte gat is, is er een golf buiten het zwarte gat, en dat moest duizenden keren worden herhaald. Je moet blijven zoeken naar een golf van binnen en een gelijktijdige golf die eruit komt.

Omdat de camera die het analoge zwarte gat fotografeerde het onmiddellijk zou vernietigen, moest het analoge steeds opnieuw worden nagemaakt. Elk van deze was ongeveer 0,1 millimeter lang en gemaakt van ongeveer 8.000 atomen. Om een idee te geven van hoe verbluffend klein dit is: de punt aan het einde van deze zin heeft minstens een miljard atomen. Elke keer dat er een nieuwe analoog werd gemaakt, moest het team paren geluidsgolven vinden waarvan de ene golf naar de even horizon bewoog en de andere er al voorbij was. Rubidiumgas stroomt sneller dan de snelheid van geluid , zodat een van deze geluidsgolven niet uitbrak, net zoals de verpletterende zwaartekracht van een zwart gat in de ruimte een naderend onheil betekent.

Wat herhaaldelijk foto's maken bewees, was dat de Hawking-straling constant blijft. Het team had zoveel gegevens nodig om voldoende correlaties te vinden tussen hoe al deze paren geluidsgolven zich gedroegen. Het bleek dat ze elke keer hetzelfde deden, dus Hawking had gelijk. Dit experiment bewees hem tenminste gelijk. Totdat we een manier kunnen vinden om zwarte gaten in de ruimte te bestuderen met een telescoop die technologisch geavanceerder is dan we ons ooit kunnen voorstellen, zullen theoretische studies zoals die van Hawking moeten bewijzen of dit waarschijnlijk zal gebeuren in echte zwarte gaten. Steinhauer wil verder gaan, zoals in kwantumzwaartekracht .

Ik zou graag verder gaan dan de berekening van Hawking, om rekening te houden met kwantumzwaartekracht, zei hij. Volgens de algemene relativiteitstheorie kun je de reguliere zwaartekracht berekenen als je weet hoe zwaar een lichaam is. Kwantumzwaartekracht is willekeurig zoals elk kwantummechanisch systeem. Ik wil ook zien hoe Hawking-straling analoog is aan dingen zoals luchtmoleculen die geluid verstrooien.

De gekheid van zwarte gaten, en wat ze zouden kunnen betekenen voor ruimtetijd, houdt nooit echt op.