Физики предложили новый эксперимент по моделированию испарения черных дыр

Ученые из Тайваня и Франции предложили эксперимент по созданию аналоговой черной дыры при помощи мощных лазеров и плазмы. С его помощью можно изучить излучение Хокинга и связанный с ним информационный парадокс. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о статье рассказывается на сайте журнала Physics.

Излучение Хокинга — процесс, который приводит к испарению черной дыры. В классической физике это невозможно — черные дыры только поглощают материю, ничего не излучая. Однако в квантовой механике, из-за принципа неопределенности Гейзенберга, вблизи горизонта событий черной дыры постоянно рождаются и аннигилируют пары частица-античастица. Это происходит из-за флуктуаций физического вакуума. При этом одна из частиц проникает через горизонт событий и попадает внутрь черной дыры, а другая улетает, и ее можно пронаблюдать. В этом случае пара частиц становится квантово-запутанной. Однако зарегистрировать излучение Хокинга от реальных астрофизических объектов практически невозможно — оно очень слабое, причем чем массивнее черная дыра, тем оно слабее. Даже для черной дыры с массой в одну солнечную оно составит десятимиллионную долю Кельвина.

С процессом испарения связан парадокс исчезновения информации в черной дыре, который плохо согласуется с принципами квантовой механики. Подробнее о нем можно почитать в нашей серии интервью с физиком Эмилем Ахмедовым (раз и два). Один из способов изучения информационного парадокса заключается в том, чтобы искать корреляции между вылетевшим прочь фотоном и его партнером, поглощаемым черной дырой. Чтобы реализовать этот способ, необходимо создать аналоговую модель черной дыры в лабораторных условиях, при этом излучение Хокинга можно сымитировать при помощи релятивистского плазменного зеркала, которое может играть роль горизонта событий черной дыры.

В эксперименте плазменное «зеркало» с поперечным распределением плотности создается при взаимодействии оптического петаваттного лазерного импульса с однородной газовой мишенью. Другой импульс, созданным таким же лазером, отражается от создаваемого плазменного «зеркала», при этом увеличивается частота фотонов и на выходе получается мощный рентгеновский импульс, который попадает на твердотельную мишень с неравномерной плотностью. При взаимодействии импульса с материалом мишени образуется след из электронов, который действует в качестве движущейся отражающей границы для фотонов, выходящих из квантовых флуктуаций. Отраженные от такого «зеркала» фотоны будут аналогом излучения Хокинга, которое распространяется в обратном направлении. Когда «зеркало» резко останавливается, может возникнуть всплеск энергии или нулевые колебания, при этом излучатся неотраженные от «зеркала» фотоны — те самые партнеры частиц излучения Хокинга, которые «исчезают» в черной дыре. Эти частицы и колебания можно зарегистрировать при помощи фотосенсоров, конденсаторов и усилителей, при этом требуется хорошее временное разрешение приборов, чтобы отличить одни частицы от других.

В результате можно сравнить поведение фотонов и выявить корреляции, что укажет на квантовую запутанность между ними. Отмечается, что это не единственное достоинство метода плазменных зеркал — быстрое торможение «зеркала»  имитирует красное смещение из-за пространственно-временных искажений вблизи поверхности черной дыры, резкая остановка «зеркала» моделирует конечный этап испарения черной дыры, а тепловые выбросы от него могут помочь в создании модели для описания энтропии черных дыр.

Это уже не первый подобный случай попытки создать излучение Хокинга в земных условиях. Так например мы писали об акустической модели черной дыры, благодаря которой ученым удалось пронаблюдать самый достоверный на сегодняшний день аналог излучения Хокинга.

Александр Войтюк