Ученые совершили важный шаг в исследовании фундаментальных законов физики, создав в лабораторных условиях оптическую модель черной дыры. Целью эксперимента стало изучение механизма излучения Хокинга — теоретического процесса, при котором черные дыры теряют энергию и постепенно «испаряются». Поскольку обнаружить это излучение в глубоком космосе крайне сложно из-за колоссального фонового электромагнитного шума Вселенной, подобные лабораторные установки остаются единственным способом подтвердить или опровергнуть существующие теории.
Ранее исследователи уже предпринимали попытки имитировать поведение черных дыр, используя самые разные методы: от простых моделей с водоворотами в раковине до сложных систем, основанных на квантовых эффектах и сверхохлажденных жидкостях. Команда из Падерборнского университета в Германии решила пойти дальше: они сосредоточились на изучении того, как именно происходит передача энергии от черной дыры к самому излучению.
Моделирование горизонта событий в оптическом кристалле
Для реализации эксперимента ученые применили нелинейный оптический кристалл, выступающий в роли волновода. В этой системе роль горизонта событий — границы, из-за которой невозможно выбраться, — выполнял интенсивный лазерный импульс, проходящий сквозь оптоволокно. Мощный импульс временно изменял показатель преломления материала, влияя на скорость распространения света. Для слабого зондирующего луча, направленного в ту же область, это создавало своего рода барьер, аналогичный гравитационной ловушке черной дыры.
Когда слабый импульс взаимодействовал с этой динамической границей, исследователи фиксировали появление пар сигналов с измененной частотой. Эти всплески по своим характеристикам напоминали излучение Хокинга.
Обратная связь и процесс «испарения»
Ключевым достижением стало наблюдение обратного влияния излучения на систему, что имитирует процесс потери массы черной дырой. В ходе эксперимента часть энергии лазерного импульса перераспределялась, порождая новые спектральные компоненты. Физика этого процесса оказалась удивительно схожа с тем, как реальная черная дыра должна отдавать свою энергию во внешнюю среду.
Чтобы зафиксировать эти крайне слабые сигналы, команде пришлось применить высокоточную методику сравнения спектров света до и после взаимодействия, а также изолировать побочные оптические эффекты. Анализ показал, что зависимость сигнала от мощности пробного импульса совпадает с теоретическими расчетами.
Выводы исследования
Авторы работы подчеркивают, что, несмотря на точность модели, эксперимент не является прямым доказательством существования реальных «испаряющихся» черных дыр, так как в сложных оптических системах всегда остаются неучтенные нелинейные процессы. Тем не менее, полученные данные опровергают прежние гипотезы о «каскадном» характере перехода энергии. Согласно новым результатам, процесс передачи энергии от черной дыры к излучению является гораздо более простым и линейным, чем предполагалось ранее.
