Hoe "werken" zwarte gaten?
Zwarte gaten zijn gebieden in de ruimte waar de zwaartekracht heel sterk is. Bovendien
Hawkingstraling in een gewoon zwart gatverschijnt wanneer een paar virtuele deeltjes verschijnt aan de gebeurtenishorizon, die verandert in een deeltje-antideeltje-paar. In dit geval valt het ene deeltje voorbij de horizon en vliegt het andere weg.
Wat heeft Hawking voorspeld?
Theoretisch fysicus Stephen Hawking voorspelde:hoewel niets zwarte gaten kan achterlaten, zenden ze zelf spontaan een beperkte hoeveelheid licht uit. Het staat bekend als Hawking-straling. Volgens de voorspellingen van de natuurkundige is deze straling spontaan (dat wil zeggen, het komt voort uit het niets) en stationair (dat wil zeggen, de intensiteit verandert niet veel in de loop van de tijd).
Hawkingstraling is het belangrijkste argument van wetenschappersover het verval (verdamping) van kleine zwarte gaten, dat theoretisch zou kunnen ontstaan tijdens experimenten met de LHC – Large Hadron Collider. Dit effect vormt de basis voor het idee van een enkelvoudige reactor: een apparaat om energie uit een zwart gat te halen met behulp van Hawking-straling.
Auteur: Maximilien Brice, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0
V. Gribov in gesprek met Ya.Zeldovich stond erop dat zwarte gaten dankzij kwantumtunneling deeltjes zouden moeten uitstoten. Zelfs vóór de publicatie van zijn werk bezocht Hawking Moskou in 1973, waar hij Sovjetwetenschappers Yakov Zeldovich en Alexei Starobinsky ontmoette. Ze lieten Hawking zien dat, volgens het onzekerheidsprincipe van de kwantummechanica, draaiende zwarte gaten deeltjes zouden moeten genereren en uitstoten.
Volgens de voorspellingen van Hawking is de straling van zwartgat is spontaan. In hun nieuwe studie wilden de wetenschappers uitzoeken of de straling die door hun zwarte gat wordt uitgezonden ook stationair is (d.w.z. of deze in de loop van de tijd constant blijft).
Wat ontdekten de wetenschappers?
Onderzoekers bij Israel TechHet Technion Institute heeft onlangs onderzoek gedaan om de theoretische voorspellingen van Hawking te testen. In het bijzonder onderzochten ze of het equivalent van Hawking-straling in een "kunstmatig zwart gat" gecreëerd in laboratoriumomstandigheden stationair was.
Als je binnen de gebeurtenishorizon gaat, doe je dat nietje kunt hier wegkomen, zelfs als er licht is. Hawkingstraling begint net voorbij de waarnemingshorizon, waar licht nauwelijks kan ontsnappen. Het is echt vreemd, want er is daar niets; dit is lege ruimte. Maar deze straling begint vanuit het niets, komt naar buiten en gaat naar de aarde.
Jeff Steinhauer, een van de onderzoekers in een interview met ScienceX
Hoe hebben wetenschappers een kunstmatig zwart gat gemaakt?
Kunstmatig zwart gat gecreëerd door de Israëli'swetenschappers, had een lengte van ongeveer 0,1 mm en was gemaakt van een gas bestaande uit 8.000 rubidiumatomen. Dit is een relatief klein aantal atomen. Elke keer dat de onderzoekers het fotografeerden, stortte het zwarte gat in. Om de evolutie ervan in de loop van de tijd te observeren, moesten ze dus een zwart gat creëren, het fotograferen en vervolgens een ander creëren. Dit proces werd in de loop van maanden vele malen herhaald.
Een analoog zwart gat gemaakt door onderzoekers. Krediet: Kolobov et al.
Hawking-straling uitgezonden door deze analoogzwart gat, bestaat uit geluidsgolven, niet uit licht. Rubidium-atomen bewegen sneller dan de geluidssnelheid, dus geluidsgolven kunnen de waarnemingshorizon niet bereiken en ontsnappen uit het zwarte gat. Buiten de waarnemingshorizon stroomt gas echter langzaam, zodat geluidsgolven vrij kunnen bewegen.
Rubidium stroomt snel, sneller dan de geluidssnelheid, endit betekent dat het geluid niet tegen de stroom in kan. Laten we zeggen dat iemand probeert tegen de stroom in te zwemmen. Als deze stroom sneller beweegt dan hij kan zwemmen, is het simpelweg onmogelijk om vooruit te komen. De zwemmer wordt constant teruggeduwd - de stroom beweegt te snel en in de tegenovergestelde richting. Als gevolg hiervan komt een persoon op één plek vast te zitten. Dit is hoe het is om vast te zitten in een zwart gat en te proberen de waarnemingshorizon van binnenuit te bereiken.
Hawkingstraling bestaat uit paren fotonen (d.w.z.lichtdeeltjes): de ene komt uit het zwarte gat en de andere valt er weer in. In een poging Hawking-straling te identificeren die wordt uitgezonden door een analoog zwart gat, zochten wetenschappers naar soortgelijke paren geluidsgolven, waarbij de ene uit het zwarte gat kwam en de andere erin bewoog. Toen ze deze paren geluidsgolven eenmaal hadden geïdentificeerd, probeerden de onderzoekers vast te stellen of er correlaties tussen hen waren. Natuurkundigen herhaalden hun experiment 97.000 keer – dat is 124 dagen aan continue metingen. Als resultaat ontdekten de onderzoekers dat er een paar geluidsgolven verschijnen bij het analoge zwarte gat, en bevestigden ze ook de correlatie daartussen.
Over het algemeen lijken de resultaten dat te bevestigende straling van zwarte gaten is stationair, zoals Hawking voorspelde. Hoewel deze resultaten voornamelijk verband houden met het analoge zwarte gat dat ze hebben gecreëerd, kunnen theoretische studies helpen bevestigen of ze kunnen worden toegepast op echte zwarte gaten.
Waar komt het op neer?
Het onderzoek van de wetenschappers roept belangrijke vragen op.Feit is dat ze de hele levensduur van een analoog zwart gat konden observeren en konden zien hoe Hawking-straling begon. Toekomstig onderzoek zou kunnen proberen de resultaten van het werk te vergelijken met voorspellingen over wat er in een echt zwart gat zou gebeuren. Op deze manier kunnen wetenschappers zien of de ‘echte’ Hawking-straling bij nul begint en vervolgens toeneemt, zoals natuurkundigen tijdens het experiment hebben waargenomen.
Een echt zwart gat heeft twee horizonten:de buitenkant is de waarnemingshorizon (meer precies, de horizon van zichtbaarheid) en de binnenkant is de Cauchy-horizon. Tussen de twee horizonten bevindt zich een T-gebied, waar beweging voor objecten slechts in één richting mogelijk is: licht, deeltje of persoon zal alleen naar binnen bewegen. De getijdekrachten zullen toenemen als je in dit gebied naar de binnenste Cauchy-horizon beweegt. Verrassend genoeg vertraagt de beweging van het object naar het midden daaronder dramatisch (in zekere zin, in de coördinaten die het object zelf vergezellen).
Na het stoppen bij de begeleidende faciliteitcoördinaten, het begint naar buiten te duwen - in een ander universum (de topologie voor echte zwarte gaten is niet triviaal, er is een verbinding tussen verschillende universums en het object moet naar een ander universum worden geduwd). Op het stoppunt (ook wel het keerpunt, het keelpunt genoemd), zijn er maximale getijdekrachten voor een bepaald zwart gat, een bepaald object en de beginvoorwaarden voor de val van dit object (in andere omstandigheden zal dit maximum anders zijn , maar altijd eindig).
In het gebied binnen de binnenhorizonde zwaartekracht is veel lager, zodat objecten vrij kunnen bewegen en niet langer naar het midden van het zwarte gat worden aangetrokken. Ze kunnen het zwarte gat echter nog steeds niet verlaten omdat ze niet in de tegenovergestelde richting door de binnenhorizon kunnen gaan (d.w.z. richting de waarnemingshorizon).
In wezen is de waarnemingshorizon de buitenste bol.zwart gat, en daarbinnen bevindt zich een kleine bol die de binnenhorizon wordt genoemd. Als iemand buiten de innerlijke horizon valt, zit hij nog steeds vast in een zwart gat. Maar hij zal tenminste niet de ondenkbare fysica voelen om erin te zijn. De persoon zal zich in een meer "normale" omgeving bevinden, aangezien de zwaartekracht lager zal zijn en deze niet meer kan worden gevoeld.
Sommige natuurkundigen hebben voorspeld dat wanneerhet analoge zwarte gat vormt een binnenhorizon, de straling die het afgeeft wordt sterker. Interessant is dat dit precies is wat er gebeurde in het analoge zwarte gat dat werd gecreëerd door de Technion-onderzoekers. Deze studie kan dus andere natuurkundigen inspireren om het effect van de vorming van de innerlijke horizon op de stralingsintensiteit van Hawking te bestuderen.
Lees ook
De eerste nauwkeurige kaart van de wereld is gemaakt. Wat is er mis met de rest?
Wetenschappers hebben voor het eerst vastgelegd hoe planeten zich vormen rond sterren met een lage massa
Er is een anti-verouderingsmedicijn ontdekt dat verouderde cellen verwijdert