О черных дырах обычно говорят просто: если что-то попало слишком близко, выбраться уже невозможно. В основном это правда. Но еще с 1970-х годов физики предполагают, что черные дыры все же могут очень медленно терять энергию в виде теплового излучения.
Это явление известно как излучение Хокинга. Его уже удавалось воспроизводить в лабораторных аналогах черных дыр, но один важный механизм долго оставался неуловимым. Речь идет об обратной реакции: процессе, который показывает, как именно энергия уходит из черной дыры в это излучение.
Теперь команда физиков под руководством Лоренцо Прокопио из Падерборнского университета в Германии наблюдала аналог такой обратной реакции. Иронично, что лабораторную «черную дыру» они создали из света.
Результаты опубликованы в журнале Nature. По словам Прокопио, работа упрощает теоретическое понимание таких систем и открывает новые способы расчета подобных эффектов. Возможно, она также поможет лучше понять, как излучение Хокинга возникает в условиях гравитации.
Черные дыры — одни из самых странных и экстремальных объектов во Вселенной. Они настолько плотные, что после пересечения определенной границы от их притяжения не может уйти ничто.
Можно представить ракету, которая стартует с Земли. Чтобы покинуть планету, ей нужно набрать определенную скорость — скорость убегания. У черной дыры эта скорость за определенной границей становится недостижимой вообще для всего, даже для света. Эта граница называется горизонтом событий.
Излучение Хокинга, которое Стивен Хокинг предложил в 1974 году, должно возникать из-за квантовых эффектов рядом с горизонтом событий черной дыры.
Но хотя это излучение считается устойчивым и широко признанным предсказанием теории квантовых полей в искривленном пространстве-времени, один вопрос оставался открытым: как именно энергия передается от черной дыры к излучению.
Главная проблема очевидна: напрямую наблюдать излучение Хокинга сейчас невозможно. Ожидается, что его сигнал настолько слабый, что мы, возможно, никогда не сможем отделить его от фонового излучения Вселенной.
Поэтому физики идут другим путем. Вместо настоящих черных дыр они создают лабораторные системы, которые подчиняются похожим физическим правилам.
Некоторые такие аналоги выглядят довольно просто: например, вода, закручивающаяся в сливе, может имитировать поток пространства-времени вокруг черной дыры. Другие эксперименты используют ультрахолодные конденсаты Бозе — Эйнштейна или цепочки атомов, чтобы воспроизвести физику горизонта событий.
В новом исследовании использовали аналог, который больше десяти лет назад разработал соавтор работы Ульф Леонхардт из Института науки Вейцмана в Израиле.
Система работает на ультракоротких лазерных импульсах, проходящих через специально структурированное оптическое волокно. Один импульс немного меняет оптические свойства волокна и создает для второго импульса аналог горизонта событий.
В предыдущих экспериментах с такой установкой уже воспроизводили само излучение Хокинга. Но на этот раз ученые искали более тонкий эффект — крошечную обратную реакцию, которая показывает, как энергия передается из аналога черной дыры в испускаемое излучение.
Чтобы понять обратную реакцию, можно представить двух людей на роликовых коньках. Если один толкнет другого, тот поедет вперед, но сам толкнувший откатится назад. У каждого действия есть противодействие.
Обратная реакция в аналоге черной дыры — это похожая отдача. Если излучение Хокинга уносит энергию, система, которая его создала, должна потерять такое же количество энергии. Именно эту очень маленькую потерю и пытались обнаружить исследователи.
Когда лазерные импульсы проходили через оптическое волокно, ученые следили не за самим «оттолкнутым» излучением, а за тем, что происходило с импульсом, который это излучение породил. Они искали крошечный сдвиг в лазерном импульсе.
И они его нашли. Но дальше появилась неожиданность.
Раньше физики думали, что излучение Хокинга в аналогах черных дыр возникает через сложную цепочку оптических взаимодействий. Новые результаты указывают на более простой вариант: один прямой процесс может объяснить и само излучение, и обратную реакцию.
Авторы работы считают, что при определенном типе взаимодействия между излучением и аналогом гравитационного поля излучение Хокинга может быть результатом прямого процесса. Возможно, настоящие астрофизические черные дыры тоже излучают через столь же простой механизм. Тогда обратная реакция могла бы подробно описывать, как черные дыры испаряются на микроскопическом уровне.
Наблюдать такой же процесс рядом с настоящей черной дырой в обозримом будущем, скорее всего, не получится.
Но если этот механизм обнаружат и в других типах лабораторных аналогов черных дыр, это усилит аргумент в пользу того, что ученые нашли что-то фундаментальное в природе излучения Хокинга.
Если это подтвердится, открытие может помочь разобраться с одними из самых сложных вопросов теоретической физики черных дыр.
Авторы считают, что работа может пролить свет и на информационный парадокс — проблему, над которой Хокинг продолжал думать до своей последней статьи в 2018 году.
Новое исследование опубликовано в журнале Nature.
