Kvantové heliové tornádo v laboratoři napodobuje pokřivený časoprostor černých děr

Jak každý, kdo někdy viděl sci-fi film, ví, vybičování černé díry v laboratoři se nezdá jako dobrý nápad.

To však nezastavilo výzkumníky v Anglii, kteří chtěli zjistit, zda by mohli v laboratoři vytvořit něco, co by sloužilo jako analog černé díry a poskytlo jim lepší vhled do způsobu, jakým se křivky časoprostoru v blízkosti galaktických hltačů gravitace.

Vědci z University of Nottingham (OSN), King’s College London a Newcastle University se tedy obrátili na víry v tekutinách, které mohou v některých ohledech napodobovat způsob, jakým hmota víří kolem černé díry ve vesmíru.

Zejména se rozhodli zjistit, zda by mohli zlepšit předchozí metodu vynalezenou v laboratoři Black Hole Laboratory OSN, ve které vír ve speciálně navržené vodní lázni vrhá světlo na zvláštní jev, o kterém je známo, že se vyskytuje kolem černých děr, známý jako superradiance. (Tento experiment můžete sledovat v následujícím videu od OSN.)

V tomto případě použili supratekuté helium chlazené až na ledových -271 °C (-456 °F). Supertekutiny jsou tekutiny s téměř nulovou viskozitou.

„Použití supratekutého helia nám umožnilo studovat drobné povrchové vlny s většími detaily a přesností než při našich předchozích experimentech ve vodě,“ řekl Patrik Švancara z School of Mathematical Sciences na University of Nottingham, který byl hlavním autorem studie. „Vzhledem k tomu, že viskozita supratekutého helia je extrémně malá, byli jsme schopni pečlivě prozkoumat jejich interakci se supratekutým tornádem a porovnat výsledky s našimi vlastními teoretickými projekcemi.“

Při teplotě, na kterou bylo supratekuté helium zchlazeno, začíná vykazovat kvantové vlastnosti, které mohou způsobit jeho nestabilitu. Nicméně díky na zakázku vyrobené komoře byl výzkumný tým schopen pojmout tekutinu a zmírnit kvantové efekty.

„Superfluidní helium obsahuje drobné objekty zvané kvantové víry, které mají tendenci se od sebe šířit,“ řekl Švancara. „V našem nastavení se nám podařilo uzavřít desítky tisíc těchto kvant do kompaktního objektu připomínajícího malé tornádo a dosáhnout vírového proudění s rekordní silou v říši kvantových tekutin.“

Změřením dynamiky vln na povrchu této přechlazené supratekutiny byl tým schopen dospět k závěru, že systém napodoboval gravitační podmínky, které byly stejné jako ty, které se nacházejí v blízkosti rotujících černých děr. Doufáme, že nastavení pomůže týmu získat ještě lepší vhled do černých děr, které navzdory probíhajícím objevům stále skrývají mnoho záhad pro astrofyziky.

„Když jsme v roce 2017 poprvé pozorovali jasné známky fyziky černých děr v našem prvním analogovém experimentu, byl to průlomový okamžik pro pochopení některých bizarních jevů, které je často náročné, ne-li nemožné, studovat jinak,“ řekla Silke Weinfurtnerová. který vede práci v laboratoři Black Hole. „Nyní, s naším sofistikovanějším experimentem, jsme tento výzkum posunuli na další úroveň, což by nás mohlo nakonec vést k předpovědi, jak se kvantová pole chovají v zakřivených časoprostorech kolem astrofyzikálních černých děr.“

Výzkum byl publikován v časopise Příroda.

Zdroj: University of Nottingham