Radiaţia Hawking, aproape de a fi testată?

Într-un laborator din Scoţia un tip de laser revoluţionar începe să devină realitate, primul de acest gen făcut dintr-o gaură neagră artificială. Odată finalizat, dispozitivul ar putea a ajuta la confirmarea indiciilor că găurile negre adevărate, în ciuda numelui lor, emit lumină.

Un laser gaură neagră poate avea şi utilizări practice în cadrul dispozitivelor care sondează proprietăţile unui material fără a-l distruge.

În inima unui asemenea laser se petrece un fenomen pe care Stephen Hawking l-a prezis în anii 1970 şi pe care fizicienii l-au vânat încă de atunci. Deşi nici chiar lumina nu poate scăpa de gravitaţia lor, Hawking a calculat că găurile negre ar trebui chiar şi aşa să emită o lumină slabă, numită acum radiaţia Hawking.

Dacă nu poţi ajunge la o gaură neagră, simulează una. (Image: Sonny Meddle/Rex Features)

Aceasta este o consecinţă a teoriei cuantice, care spune că vidul nu este cu adevărat gol, ci este plin de perechi particulă-antiparticulă. În mod obişnuit aceste perechi se anihilează rapid şi dispar din nou, însă dacă o pereche de fotoni apare prea aproape de o gaură neagră, unul dintre ei „cade” în gaură şi celălalt scapă.


Orizont de evenimente artificial

Strălucirea rezultată în jurul găurilor negre naturale, precum cea din centrul galaxiei noastre, ar fi prea slabă pentru a fi văzută. Aşa că pentru a confirma teoria lui Hawking, fizicienii au ales să construiască găuri artificiale analoage în laborator prin imitarea fizicii de la nivelul orizontului de evenimente al unei găuri negre, suprafaţa dincolo de care lumina nu poate evada.

În 2010, Daniele Faccio de la Universitatea Heriot-Watt din Edinburgh, Marea Britanie şi colegii ei au construit un astfel de sistem. Deoarece orizonturile de evenimente gravitaţionale sunt dificil de creat, fără a menţiona că sunt şi potenţial periculoase, „orizontul” lor era un puls de lumină laser care se mişca printr-o bucată de sticlă. Pulsul creştea temporar indicele de refracţie al sticlei pe măsură ce se mişca, creând un gradient în urma lui care va încetini un al doilea puls de lumină, lungindu-l şi mai mult pe măsură ce se apropiau reciproc. Esenţial e că al doilea puls nu ar putea niciodată să-l traverseze pe primul, transformându-l pe acesta într-un orizont de evenimente din perspectiva celui de-al doilea.

Cercetătorii au detectat fotoni în exces ce emanau din orizontul lor, lucru pe care-l consideră a fi o dovadă a radiaţiei Hawking. Alţi fizicieni nu sunt de acord că observaţia contează, deoarece echipa nu a utilizat o gaură neagră adevărată.

În curând, totuşi, echipa Heriot-Watt ar putea fi capabilă să determine modelul lor de gaură neagră să facă ceva ce găurile reale nu pot: să se comporte ca nişte lasere. Asta ar putea produce dovezi mai concludente pentru teoria lui Hawking.

Laserele convenţionale creează raza lor strălucitoare prin ricoşeuri repetate ale luminii între două oglinzi şi printr-un bloc de material numit mediu de excitare. Pe măsură ce fotonii se mişcă, ei excită atomii din mediu, care emite noi fotoni cu exact aceeaşi frecvenţă, producând în final o rază focalizată de lumină laser.

Nonsens cosmologic

În 1999, Ted Jacobson de la Universitatea Maryland, College Park, a sugerat înlocuirea celor două oglinzi cu o gaură neagră şi cu opusa ei – o gaură albă. Niciodată detectată în natură, o gaură albă permite fotonilor să se apropie dar nu le permite niciodată să intre.

Echipa lui Faccio a descoperit cum să pună ideea lui Jacobson în practică. Planul lor este să trimită două pulsuri de lumină printr-un diamant artificial în succesiune rapidă, echivalentul unei găuri albe artificiale aflată în interiorul unei găuri negre. „Asta nu are nici un sens din punct de vedere cosmologic”, spune Faccio. „Ar fi lipsit de sens. Dar în aceste modele de laborator, se poate face asta.”

Lumina injectată între orizonturi ar ricoşa înainte şi înapoi, pentru că nu poate intra nici în gaura albă şi nici nu poate scăpa de gaura neagră. Mai important, dacă radiaţia Hawking există, ar trebui amplificată pe măsură ce ricoşează, creând lumină laser care ar fi mai uşor de detectat decât radiaţia în exces observată în experimentele precedente.

Spre deosebire de laserele obişnuite, totuşi, lumina îşi va schimba în mod repetat frecvenţa (sau culoarea) în călătoria ei, prezice echipa lui Faccio. Aceasta pentru că, spre deosebire de două oglinzi care sunt faţă în faţă, orizonturile de evenimente ale unei găuri albe şi negre au un efect opus asupra luminii care ajunge la ele.


Comprimat şi alungit

Pe măsură ce lumina care ricoşează se apropie de orizontul de evenimente al găurii albe, unde indicele de refracţie se măreşte brusc, lungimea de undă ar fi comprimată precum o maşină de carton care izbeşte un zid, deplasând-o „spre albastru” din culoarea iniţială către ultraviolet. Când această lumină ricoşează înapoi spre orizontul de evenimente al găurii negre, se va întâmpla exact contrariul – lumina va fi întinsă către frecvenţe de infraroşu sau teraherţi. „Este cu adevărat un laser ciudat, pentru că lumina se mişcă în mod constant între două extreme” spune Faccio.

Aceste scheme sunt în curs de publicare în revista Classical and Quantum Gravity. Echipa a construit cu succes jumătatea din laser ce conţine gaura albă. Iniţial ei au trimis un puls de lumină într-un diamant de 0,5 milimetri lungime care este transparent pentru toate lungimile de undă folosite în experiment. Când un puls de lumină în infraroşu a fost apoi injectat, gaura albă lăsată de primul puls s-a transformat într-o lumină ultravioletă, exact cum s-a crezut – deşi cercetătorii nu au predat acest rezultat spre publicare.

Echipa mai are acum de adăugat al doilea puls de lumină pentru a forma ultima parte a dispozitivului, cu gaura neagră, apoi să arate că lumina va fi amplificată de radiaţia Hawking. Faccio este optimist: el menţionează că proprietăţile găurii albe care determină lumina să se deplaseze spre albastru provin din aceleaşi calcule ale ecuaţiilor lui Hawking – aşa că dacă deplasarea spre albastru este observată, alungirea către roşu ar trebui să fie şi ea acolo. „Mecanismul lui Hawking este cel care face posibile toate acestea”, spune el.


Posibile aplicaţii

William Unruh de la Universitatea British Columbia din Vancouver, care a fost unul dintre primii care au sugerat că găurile negre artificiale ar putea emite lumină, crede că ideea este promiţătoare. Totuşi, Jacobson nu este convins că sistemul propus ca model al echipei se apropie de o gaură neagră adevărată pentru a oferi dovezi solide pentru fenomenul în discuţie.

Faccio este de părere că modul de funcţionare al modelului este interesant în felul său, oricare ar fi cazul. „Etalarea unui mecanism optic de tip laser gaură neagr este ceva unic, ce poate fi prezentat doar într-un sistem analog”, spune el. „Nu poţi merge în centrul galaxiei să pui o gaură albă într-o gaură neagră.”

Aşa cum se prezintă, ceea ce a creat echipa şi-ar putea găsi aplicaţii. Unde de joasă energie cu frecvenţă de teraherţi sunt folositoare pentru a examina materialele fără a le distruge şi astfel pot fi folosite în sistemele de securitate din aeroporturi.

Din păcate, asemenea unde sunt şi greu de detectat, aşa că un sistem precum cel artificial cu gaură albă care le poate converti în lumină ultravioletă uşor detectabilă ar putea avea multe întrebuinţări în laboratoare, spune Faccio.

Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Black-hole laser edges closer to testing Hawking, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Răzvan Gavrilă