Wie "funktionieren" Schwarze Löcher?
Schwarze Löcher sind Bereiche im Weltraum, in denen die Schwerkraft sehr stark ist. Darüber hinaus
Hawking-Strahlung in einem gewöhnlichen Schwarzen Lochentsteht, wenn am Ereignishorizont ein Paar virtueller Teilchen erscheint, das sich in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar verwandelt. In diesem Fall fällt ein Teilchen über den Horizont hinaus und das andere fliegt davon.
Was hat Hawking vorhergesagt?
Der theoretische Physiker Stephen Hawking sagte voraus:Obwohl nichts Schwarze Löcher hinterlassen kann, emittieren sie selbst spontan eine begrenzte Menge Licht. Es ist als Hawking-Strahlung bekannt. Nach den Vorhersagen des Physikers ist diese Strahlung spontan (dh sie entsteht aus dem Nichts) und stationär (dh ihre Intensität ändert sich im Laufe der Zeit nicht wesentlich).
Hawking-Strahlung ist das Hauptargument der Wissenschaftlerzum Zerfall (Verdunstung) kleiner Schwarzer Löcher, der theoretisch bei Experimenten am LHC – Large Hadron Collider – entstehen könnte. Dieser Effekt ist die Grundlage für die Idee eines singulären Reaktors – einer Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem Schwarzen Loch mithilfe von Hawking-Strahlung.
Autor: Maximilien Brice, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0
V. Gribov im Gespräch mit Ya.Zeldovich bestand darauf, dass Schwarze Löcher dank Quantentunneln Teilchen aussenden sollten. Noch vor der Veröffentlichung seiner Arbeit besuchte Hawking 1973 Moskau, wo er sich mit den sowjetischen Wissenschaftlern Yakov Zeldovich und Alexei Starobinsky traf. Sie zeigten Hawking, dass rotierende Schwarze Löcher gemäß dem Unschärfeprinzip der Quantenmechanik Teilchen erzeugen und aussenden sollten.
Nach Hawkings Vorhersagen ist die Strahlung von SchwarzLoch ist spontan. In ihrer neuen Studie wollten die Wissenschaftler herausfinden, ob die von ihrem Schwarzen Loch emittierte Strahlung ebenfalls stationär ist (d. H. Ob sie über die Zeit konstant bleibt).
Was haben die Wissenschaftler herausgefunden?
Forscher bei Israel TechDas Technion Institute hat kürzlich Forschungen durchgeführt, um Hawkings theoretische Vorhersagen zu testen. Insbesondere untersuchten sie, ob das Äquivalent der Hawking-Strahlung in einem "künstlichen Schwarzen Loch", das unter Laborbedingungen erzeugt wurde, stationär war.
Wenn Sie sich innerhalb des Ereignishorizonts bewegen, wird dies nicht der Fall seinSie können hier raus, auch wenn es hell ist. Hawking-Strahlung beginnt direkt hinter dem Ereignishorizont, wo Licht kaum entkommen kann. Es ist wirklich seltsam, weil da nichts ist; das ist leerer Raum. Aber diese Strahlung beginnt im Nichts, kommt heraus und gelangt zur Erde.
Jeff Steinhauer, einer der Forscher im Interview mit ScienceX
Wie haben Wissenschaftler ein künstliches Schwarzes Loch geschaffen?
Künstliches Schwarzes Loch von den Israelis geschaffenWissenschaftler hatten eine Länge von etwa 0,1 mm und wurden aus einem Gas hergestellt, das aus 8.000 Rubidiumatomen bestand. Dies ist eine relativ kleine Anzahl von Atomen. Jedes Mal, wenn die Forscher es fotografierten, brach das Schwarze Loch zusammen. Um seine Entwicklung im Laufe der Zeit zu beobachten, mussten sie ein Schwarzes Loch erstellen, es fotografieren und dann ein weiteres erstellen. Dieser Vorgang wurde im Laufe der Monate viele Male wiederholt.
Ein analoges Schwarzes Loch, das von Forschern geschaffen wurde. Bildnachweis: Kolobov et al.
Von diesem Analogon emittierte Hawking-StrahlungSchwarzes Loch, besteht aus Schallwellen, nicht aus Licht. Rubidiumatome bewegen sich schneller als die Schallgeschwindigkeit, sodass Schallwellen den Ereignishorizont nicht erreichen und aus dem Schwarzen Loch entweichen können. Außerhalb des Ereignishorizonts fließt das Gas jedoch langsam, sodass sich Schallwellen frei bewegen können.
Rubidium fließt schnell, schneller als die Schallgeschwindigkeit undDies bedeutet, dass der Schall nicht gegen den Strom gehen kann. Nehmen wir an, eine Person versucht, gegen den Strom zu schwimmen. Wenn sich dieser Strom schneller bewegt, als er schwimmen kann, ist es einfach unmöglich, sich vorwärts zu bewegen. Der Schwimmer wird ständig zurückgeschoben - der Strom bewegt sich zu schnell und in die entgegengesetzte Richtung. Infolgedessen bleibt eine Person an einem Ort stecken. So ist es, in einem Schwarzen Loch zu stecken und zu versuchen, den Ereignishorizont von innen heraus zu erreichen.
Hawking-Strahlung besteht aus Photonenpaaren (d. h.Lichtteilchen): Einer kommt aus dem Schwarzen Loch, der andere fällt wieder hinein. Bei dem Versuch, die von einem analogen Schwarzen Loch emittierte Hawking-Strahlung zu identifizieren, suchten Wissenschaftler nach ähnlichen Schallwellenpaaren, von denen eines aus dem Schwarzen Loch austritt und das andere in das Schwarze Loch hinein wandert. Nachdem sie diese Schallwellenpaare identifiziert hatten, versuchten die Forscher festzustellen, ob es Korrelationen zwischen ihnen gab. Die Physiker wiederholten ihr Experiment 97.000 Mal – das entspricht 124 Tagen ununterbrochener Messungen. Als Ergebnis entdeckten die Forscher, dass am Analogon des Schwarzen Lochs ein Schallwellenpaar auftritt, und bestätigten auch die Korrelation zwischen ihnen.
Insgesamt scheinen die Ergebnisse dies zu bestätigenDie von Schwarzen Löchern emittierte Strahlung ist stationär, wie Hawking vorausgesagt hat. Während diese Ergebnisse hauptsächlich mit dem von ihnen erzeugten analogen Schwarzen Loch zusammenhängen, können theoretische Studien helfen, zu bestätigen, ob sie auf echte Schwarze Löcher angewendet werden können.
Was ist das Endergebnis?
Die Studie der Wissenschaftler wirft wichtige Fragen auf.Tatsache ist, dass sie die gesamte Lebensdauer eines analogen Schwarzen Lochs beobachten und sehen konnten, wie die Hawking-Strahlung begann. Zukünftige Forschungen könnten versuchen, die Ergebnisse der Arbeit mit Vorhersagen darüber zu vergleichen, was in einem echten Schwarzen Loch passieren würde. Auf diese Weise können Wissenschaftler sehen, ob die „echte“ Hawking-Strahlung bei Null beginnt und dann zunimmt, wie die Physiker während des Experiments beobachteten.
Ein echtes Schwarzes Loch hat zwei Horizonte:Das Äußere ist der Ereignishorizont (genauer gesagt der Horizont der Sichtbarkeit) und das Innere ist der Cauchy-Horizont. Zwischen den beiden Horizonten befindet sich eine T-Region, in der Bewegungen für beliebige Objekte nur in eine Richtung möglich sind: Licht, Partikel oder Personen bewegen sich nur nach innen. Die Gezeitenkräfte nehmen zu, wenn Sie sich in diesem Bereich in Richtung des inneren Cauchy-Horizonts bewegen. Überraschenderweise verlangsamt sich darunter die Bewegung des Objekts in Richtung Zentrum dramatisch (gewissermaßen in den Koordinaten, die das Objekt selbst begleiten).
Nach dem Anhalten in der zugehörigen EinrichtungKoordinaten beginnt es nach außen zu drängen - in ein anderes Universum (die Topologie für echte Schwarze Löcher ist nicht trivial, es besteht eine Verbindung zwischen verschiedenen Universen und das Objekt muss in ein anderes Universum hinausgeschoben werden). Am Haltepunkt (auch Wendepunkt, Halspunkt genannt) gibt es maximale Gezeitenkräfte für ein bestimmtes Schwarzes Loch, ein bestimmtes Objekt und die Anfangsbedingungen für den Fall dieses Objekts (unter anderen Bedingungen ist dieses Maximum unterschiedlich , aber immer endlich).
Im Bereich innerhalb des inneren HorizontsDie Anziehungskraft ist viel geringer, sodass sich Objekte frei bewegen können und nicht mehr von der Mitte des Schwarzen Lochs angezogen werden. Sie können das Schwarze Loch jedoch immer noch nicht verlassen, da sie den inneren Horizont nicht in die entgegengesetzte Richtung passieren können (d. H. In Richtung des Ereignishorizonts gehen).
Der Ereignishorizont ist im Wesentlichen die äußere Sphäre.Schwarzes Loch, und darin befindet sich eine kleine Kugel, die als innerer Horizont bezeichnet wird. Wenn eine Person über den inneren Horizont hinaus fällt, bleibt sie immer noch in einem schwarzen Loch stecken. Aber zumindest wird er die undenkbare Physik nicht spüren, darin zu sein. Die Person befindet sich in einer „normaleren“ Umgebung, da die Schwerkraft geringer ist und es nicht mehr möglich ist, sie zu fühlen.
Einige Physiker haben vorausgesagt, wannDas analoge Schwarze Loch bildet einen inneren Horizont, die von ihm emittierte Strahlung wird stärker. Interessanterweise geschah genau dies in dem von den Technion-Forschern geschaffenen analogen Schwarzen Loch. Daher könnte diese Studie andere Physiker dazu inspirieren, den Effekt der Bildung des inneren Horizonts auf die Strahlungsintensität von Hawking zu untersuchen.
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