Astrofyzikální černé díry jsou oblasti prostoročasu vzniklé zhroucením hmoty do tzv. singularity, ve které zakřivení časuprostoru a gravitační síly dosahují nekonečných hodnot. Studium skutečných černých děr je již z jejich povahy pro vědce velmi komplikované, neboť podle obecné relativity se ven z jejich nitra nemůže dostat žádná hmota ani informace. Dokonce ani světlo.
Zvuk místo světla
Protože sestrojit černou díru v laboratoři se zdá být holý nesmysl, experimentátoři se pokoušejí zkoumat systémy, které černé díry víceméně zdařile napodobují. O snahách vytvořit černé díry v optických vláknech pomocí laserových paprsků jsme již v minulosti psali ( pro První umělá černá díra je na světě), nyní byl ohlášen úspěšný pokus o vytvoření akustické černé díry.
V pokusech o vytvoření zvukových analogií černých děr jde vědcům o to, aby se materiál nosného prostředí pohyboval rychleji, než je rychlost zvuku v něm. Zvukové vlny pak svému prostředí nemohou v rychlosti stačit a zůstávají polapeny v určité oblasti, podobně jako ryba, která se marně pokouší překonat prudce tekoucí proud. Vzniká tedy obdoba horizontu událostí jako u klasických černých děr.
Bose–Einsteinův kondenzát
K vytvoření zvukových černých děr zřejmě došlo v minulosti již několikrát, při experimentech s tzv. Bose–Einsteinovým kondenzátem (BEC, z angl. Bose-Einstein condensate), zvláštním kvantovým stavem hmoty při teplotách těsně nad absolutní nulou, ve kterém se shluky atomů chovají jako jediný atom.
Ovšem v případě studie provedené Jeffem Steinhauerem z Technionu jde o vůbec první zdokumentovaný případ, kdy k tomu došlo záměrně. Jeho tým ochladil zkoumaný vzorek materiálu - asi 100 tisíc nabitých atomů rubidia - na teplotu několika miliardtin stupňů nad absolutní nulou, aby v něm poté pomocí magnetického pole a laseru vytvořil oblast, ve které dochází při pohybu atomů k překročení rychlosti zvuku.
Přestože takto vzniklá akustická černá díra neměla dlouhého trvání, šlo jen o nějakých 8 milisekund, důsledky Steinhauerova počinu by mohly být opravdu závažné, neboť se předpokládá, že další snahy v tomto směru by mohly vést až k detekci Hawkingova záření!
Hawkingovo záření
K jeho existenci dospěl v roce 1970 anglický fyzik Stephen Hawking, když uvažoval o tom, jak se kvantové efekty projevují v blízkém okolí černých děr. Principy kvantové mechaniky předpokládají, že v prázdném prostoru neustále spontánně vznikají a zanikají částice. Vzniklé páry složené z virtuálních částic a antičástic se vynořují do existence vždy jen na velice krátký okamžik, dokud anihilací opět nezaniknou.
Podle Hawkinga ale virtuální páry částic může poblíž horizontu událostí černých děr potkat velice zajímavý osud – jedna částice může být černou dírou pohlcena, zatímco té druhé se podaří ze sféry vlivu černé díry uniknout. Vnějšímu pozorovateli by se pak tato částice jevila jako záření. Pokud má Hawking pravdu, pak by černé díry tímto mechanismem mohly snižovat svoji hmotnost, nebo se dokonce „vypařit“ úplně (kvantové vypařování černých děr).
Fotony nahradí fonony
U akustických černých děr ale žádné skutečné záření pozorovat nemůžeme, tak co s tím? Opět nám může pomoci analogie, tentokrát mezi elektromagnetickým a zvukovým polem, resp. mezi fotony a tzv. fonony, pomocí kterých fyzici popisují šíření zvukových vln v materiálech.
Steinhauer se domnívá, že zvukové černé díry by se mohly projevovat šířením nepatrných materiálových vibrací. (Fonony jsou jen fiktivní vibrační kvanta, v žádném případě nejde o skutečné částice.)
Stephenu Hawkingovi by jistě objev Hawkongova záření kromě uspokojení přinesl minimálně Nobelovu cenu za fyziku, ovšem detekce tohoto záření astronomickým pozorováním je velmi obtížná, neboť jeho efekt je zastíněn všudypřítomnou radiací včetně reliktního mikrovlnného záření.
Jde o první krok
Díky akustickým černým dírám ale fyzici dostávají do rukou nástroj, jak jeho existenci potvrdit. Steinhauer odhaduje, že by se u fononů tento jev mohl uplatnit mnohem výrazněji než v případě klasických černých děr, kde se možnosti jeho pozorování prozatím pohybují spíše v teoretické rovině.
„Objev zvukových vln produkovaných (akustickou) dírou je vskutku obtížný. Ale toto je první krok,“ tvrdí na serveru časopisu New Scientist Bill Unruh z Univerzity Britské Kolumbie v kanadském Vancouveru, který jako první přišel s myšlenkou využít pro detekci Hawkingova záření uměle vytvořených horizontů událostí v kvantových tekutinách.
Zdroj:
