Powstał symulator czarnej dziury. To „gigantyczny kwantowy wir”
Jak badać czarne dziury – obiekty, które znajdują się bardzo daleko i na dodatek pochłaniają całe padające światło? Naukowcy spróbowali odtworzyć je w laboratorium. Wykorzystali do tego nadciekły hel.
W tym artykule:
Czarne dziury są jednymi z najbardziej zagadkowych obiektów, jakie istnieją w kosmosie. Mają tak wielką masę, że wykrzywiają czasoprzestrzeń i przyciągają wszystko, co za bardzo się do nich zbliży. Dotyczy to również światła. Jeśli światło przekroczy granicę czarnej dziury – horyzont zdarzeń – już się z niej nie wydostaje. Obiekty te pozostają więc niewidoczne.
Skąd więc biorą się ich słynne fotografie? Tak naprawdę na zdjęciach czarnych dziur – takich jak supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum galaktyki M87 – widać materię wirującą wokół czarnej dziury. Czarne dziury zdradza również wpływ, jaki wywierają na otoczenie. Gdy np. do czarnej dziury za bardzo zbliży się jakaś gwiazda, może zostać rozerwana, co daje spektakularne efekty wizualne. Sporo o czarnych dziurach dowiadujemy się także, rejestrując fale grawitacyjne, które powstają, gdy dwa takie obiekty łączą się ze sobą.
Analogi czarnych dziur
Informacje o czarnych dziurach zdobywamy więc niejako pośrednio. Czy istnieje inny sposób, by je badać? Tak uważa prof. Silke Weinfurtner z Uniwersytetu Nottingham. Naukowczyni kieruje tam jednostką, która nazywa się po prostu Laboratorium Czarnych Dziur. Weinfurtner uważa, że czarne dziury można badać na Ziemi – tworząc w warunkach laboratoryjnych ich analogi.
– Kiedy myśli się o czarnych dziurach, łatwo poczuć się zastraszonym – mówi Weinfurtner na łamach „Guardiana”. – Przewidywane efekty, które powstają wokół nich, są dziwaczne, nietypowe, inne od tego, co znamy. Dobrze jest w takich momentach powiedzieć sobie: „Zaraz! To samo dzieje się w mojej wannie!” – dodaje naukowczyni.
Oczywiście, nie chodzi o zwykłą wannę. Badaczka wymyśliła, że czarne dziury można symulować w zbiorniku zawierającym szczególny rodzaj cieczy: ciecz kwantową. Jej zdaniem takie kwantowe symulatory nadają się do badania zjawisk, które powstają wokół czarnych dziur.
Zaskakująca hipoteza. Pasożytnicze czarne dziury mogą pożerać gwiazdy od środka. Jak je wykryć?
Wewnątrz niektórych gwiazd mogą znajdować się czarne dziury. Pożerałyby one gwiazdę od środka, niekiedy bardzo powoli. Wywoływałoby to efekty, które są możliwe do wykrycia.
Czarne dziury i kwanty
Jak dokładnie wygląda taki symulator? Zespół Weinfurtner wykorzystał do stworzenia go ciekły hel. A dokładniej – hel nadciekły, czyli taki, który w ogóle nie jest lepki. Tego rodzaju ciecze, puszczone w ruch, mogłyby kręcić się bez końca. By hel stał się nadciekły, trzeba go schłodzić do temperatury zbliżonej do zera absolutnego. Wówczas zaczyna przejawiać właściwości kwantowe – staje się cieczą kwantową.
Nadciekły hel został umieszczony w zbiorniku z wirnikiem na dnie. Gdy wirnik zaczął się poruszać, w cieczy zaczął tworzyć się wir. – Tego rodzaju wiry wywoływano już wcześniej w innych układach fizycznych, bez nadciekłego helu, jednak ich wytrzymałość była wówczas o kilka rzędów wielkości mniejsza – tłumaczy Patrik Švančara z zespołu prof. Silke Weinfurtner.
Tymczasem wytrzymałość i rozmiar wiru są kluczowe do jego interakcji z pozostałą cieczą. Interakcje te zaś, zdaniem badaczy, stanowią model interakcji czarnej dziury z jej otoczeniem.
Symulator czarnej dziury
Jak donosi „New Scientist”, zespołowi z Uniwersytetu Nottingham udało się stworzyć w laboratorium „gigantyczny kwantowy wir”. Gigantyczny w skali kwantowej – miał bowiem kilka milimetrów średnicy. To jednak duże osiągnięcie eksperymentalne. O ile samo doświadczenie z poruszaniem ciekłym helem i tworzeniem w nich wirów jest znane, trudności nastręczało uzyskanie i otrzymanie odpowiednio dużego wiru, który zachowywałby właściwości kwantowe. To się udało i – zdaniem badaczy – uzyskano w ten sposób symulator czarnej dziury.
Następnie na styku kwantowego wiru i pozostałej cieczy zaobserwowano ślady zjawisk odpowiadających tym, które mogą zachodzić wokół czarnych dziur. Badacze są więc zdania, że badając kręcący się naciekły hel, mogą dowiedzieć się więcej np. o tym, jak czarna dziura wpływa na promieniowanie obecne w przestrzeni kosmicznej. A także – co się dokładnie dzieje, gdy czarne dziury łączą się ze sobą. − To doskonały punkt wyjścia do zbadania kilku procesów fizycznych związanych z czarnymi dziur, do szukania nowych zjawisk i odkrywania ukrytych skarbów – mówi Weinfurtner na łamach „New Scientist”.
Prezent od natury
Podejście badaczki bywa podważane. Jego krytycy zastanawiają się, czy faktycznie fizyka cieczy może powiedzieć coś istotnego dla kosmologii?
– Wiele rzeczy w przeszłości uznawano za kontrowersyjne, a teraz przyjmowane są za pewnik – odpowiada Weinfurtner. – Fizyka powtarza się w wielu miejscach, a modele matematyczne są uniwersalne. Dla mnie analogi to prezent od natury – dodaje badaczka. I przypomina, że fizyka fal grawitacyjnych, teraz uznana dziedzina badawcza, też miała dawniej przeciwników.
Źródła:
Nasz ekspert
Magdalena Salik
Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com