Akusztikus fekete lyukat alkottak

Mesterséges fekete lyukat hoztak létre izraeli kutatók, melynek különlegessége, hogy a fény helyett a hangot ejti foglyul. A kísérlet célja az elméleti Hawking-sugárzás tesztelése. A sugárzás, amit Stephen Hawking fizikus vázolt fel több mint 30 évvel ezelőtt, végeredményben a fekete lyukak elpárolgásához vezethet.

Az asztrofizikai fekete lyukak akkor jönnek létre, amikor az anyag olyan sűrűvé válik, hogy egy pontban összeomlik, ezt a pontot nevezik szingularitásnak. A fekete lyuk hatalmas gravitációja miatt - ugyancsak elméletileg - semmi nem képes kiszökni az esemény határon túlról, még a fény sem.

Jeff Steinhauer csapata a Haifai Technion-Israel Műszaki Egyetemen a hang számára fejlesztett ki egy "fekete lyukat". Ehhez először Bose-Einstein kondenzációt (BEC) hoztak létre, egy közel abszolút nulla fokra lehűtött atomfelhőt. A BEC az anyag egy kvantumállapota, amelyben atomok egy csoportja egyetlen atomként viselkedik. A kutatók valójában két rubídium 87-atomfelhőt hűtöttek le, melyeket egy parányi űr választ el egymástól. Ez utóbbi az egész kísérlet kulcsa, amit "sűrűség inverziónak" neveznek. A sűrűségi inverzió egy rendkívül alacsony sűrűségű területet hozott létre, ami lehetővé tette az atomoknak a két felhő közötti akadály nélküli áramlást másodpercenkénti 3 milliméteres sebességgel, ami a hangsebesség több mint négyszerese. Mivel az atomok a hang sebességénél gyorsabban mozognak a felhők között, így a kiszökni próbáló hanghullámok képtelenek tartani az iramot, valahogy úgy viselkedve, mint a gyors sodrású folyókban úszó halak. A hang gyakorlatilag fogságba esik egy áramlásszerű eseményhorizontban.


Jeff Steinhauer
A kondenzátumokkal valószínűleg korábban is létrehoztak már akusztikus fekete lyukakat, véli Eric Cornell, a Boulderi Colorado Egyetem Nobel-díjas tudósa, aki 2001-ben megosztva vehette át az elismerést a Bose-Einstein-kondenzáció előállításáért. Steinhauer új tanulmánya azonban az első dokumentált kísérlet, ami kifejezetten Hawking sugárzás előállítását célozza egy BEC-ben, hangsúlyozta Cornell. Az akusztikus fekete lyuk 8 milliszekundumig maradt fenn.

Essen szó azonban a már többször említett Hawking-sugárzásról is, melynek első észlelését eredményezheti az akusztikus fekete lyuk. A kvantummechanika kimondja, hogy egy részecskepár spontán előbukkanhat az üres térből. Ezek a párok, melyek egy részecskéből és egy antirészecskéből állnak, egyetlen röpke pillanatig létezhetnek, mielőtt kioltanák egymást, amivel rögtön el is tűnnek. Azonban az 1970-es években Hawking megalkotott egy elméletet, mely szerint, ha egy pár egy fekete lyuk pereme közelében jelenik meg, az egyik részecske beeshet a lyukba mielőtt a pár megsemmisülne, magára hagyva társát az eseményhorizonton kívül.

A szemlélő számára ez a részecske sugárzásként jelenik meg, létezésének bizonyítása pedig igazolná azt a tézist, hogy az anyag mégis képes kiszökni egy valódi fekete lyukból. Amennyiben a kilökődő anyag mennyisége nagyobb, mint a fekete lyukba beáramló tömeg, a fekete lyuk idővel elpárolog. Az akusztikus fekete lyukakban a Hawking-sugárzás részecskeszerű vibrációs energiacsomagok, vagyis fononok formájában jelenne meg. Ha sikerülne rátalálni a Hawking sugárzásra, az nagy áldás lenne a fizika számára. "Egyrészt Stephen Hawking Nobel-díjat kapna" - mondta Sean Carroll, a Caltech kozmológusa." Emellett pedig bebizonyítaná számunkra, hogy jó úton járunk."

Hawking elmélete ugyanis alapvető feltevéseket tesz a kvantummechanika működésére egy olyan térben, amit meghajlít a gravitáció. A mögötte megbúvó matematikával szokták kiszámítani, hogyan viselkedett az univerzum a felfúvódás, az ősrobbanást követő viharos sebességű tágulás időszakában. A hangokon keresztüli kutatás jóval könnyebb a csillagászati észlelésekkel történőnél, mivel egy átlagos fekete lyuk elpárolgását elfedik a nagyobb energiaforrású sugárzások, beleértve az ősrobbanásból visszamaradt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást is.

A helyzet így sem különösebben egyszerű, a kutatóknak igen hosszú utat kell még bejárniuk, hogy akár az akusztikus fekete lyukaknál is észlelhessék a Hawking-sugárzást. Steinhauer csapata például úgy kalkulál, hogy a most létrehozottnál tízszer nagyobb sebességre kellene gyorsítani az atomokat ahhoz, hogy észlelhető Hawking-sugárzást hozzanak létre fononok formájában.

A szakértők mindenesetre fontos lépésnek tartják az izraeliek eredményeit, Cornell szerint a BEC folyamot kellene jóval simábbá tenni. "Amit eddig elértek, az a dolog könnyebbik része. A nehezebb rész mindezt olyan csendben elvégezni, hogy a legapróbb fluktuációt is észlelhessük az amúgy viharosan végbemenő folyamatokon felül" - taglalta a New Scientistnek adott interjújában Cornell, aki munkatársaival maga is neki fogott saját akusztikus eseményhorizontjuk előállításának.