Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Stworzyli czarną dziurę, potwierdzili przewidywania Hawkinga i zaobserwowali horyzont wewnętrzny

Recommended Posts

Stephen Hawking przewidywał, że czarne dziury emitują promieniowanie jak ciało doskonale czarne. Emisja ta, zwana emisją Hawkinga, jest stała w czasie, a jej temperatura jest determinowana przez grawitację. Mimo, że przewidywania Hawkinga liczą sobie 50 lat, dotychczas nie udało się obserwacyjnie potwierdzić temperatury promieniowania. Prawdopodobnie jest ona niezwykle niska, w skali nanokelwinów lub mniej.

Naukowcy z Wydziału Fizyki Izraelskiego Instytut Technologii Technion stworzyli dźwiękową czarną dziurę, będącą analogiem rzeczywistych czarnych dziur. To system, z którego fale dźwiękowe nie mogą się wydostać.

W artykule opublikowanym na łamach Nature Physics naukowcy wykazali istnienie stacjonarnego promieniowania Hawkinga z takiej dziury.

Dziura o średnicy 0,1 mm powstała z 8000 atomów rubidu. Każdy pomiar ją niszczył, zatem naukowcy – chcąc obserwować ewolucję swojej czarnej dziury – musieli ją na nowo utworzyć, zmierzyć i znowu utworzyć. Eksperyment powtórzyli 97 000 razy, co odpowiadało 124 dniom obserwacji i pomiarów. W tym czasie udało im się zarejestrować 6 momentów spontanicznego promieniowania i potwierdzić, że jego temperatura oraz siła były stałe.

Profesor Jeff Steinhauer, który stał na czele zespołu badawczego, mówi, że emisja z dźwiękowej czarnej dziury składa się z fal dźwiękowych, a nie świetlnych. Atomy rubidu poruszają się szybciej niż prędkość dźwięku, więc dźwięk nie jest w stanie dotrzeć do horyzontu zdarzeń i uciec z dziury. Jednak poza horyzontem zdarzeń atomy poruszają się powoli, więc i dźwięk może się swobodnie przemieszczać.

Wyobraź sobie, że płyniesz pod prąd. Jeśli prąd porusza się szybciej od ciebie, nie możesz się przesuwać naprzód, jesteś spychany w tył. To właśnie dzieje się w czarnej dziurze, wyjaśnia uczony.

Hawking uważał, że promieniowanie czarnych dziur jest spontaniczne. Steinhauer i jego zespół potwierdzili to już podczas poprzednich badań. Obecnie chcieli sprawdzić, czy promieniowanie to jest też stałe, czyli czy nie zmienia się w czasie.
Promieniowania Hawkinga składa się z pary fotonów. Jeden z nich wpada w czarną dziurę, drugi z niej ucieka. Dlatego też Steinhauer i jego koledzy szukali podobnych par fal dźwiękowych. Gdy już je znaleźli, musieli jeszcze określić, czy między nimi istnieje korelacja. W jej poszukiwaniu przeprowadzili wspomniane 97 000 powtórzeń eksperymentu.

Uzyskane przez Izraelczyków wyniki są zgodne z przewidywaniami Hawkinga. Wszystko wskazuje na to, że promieniowanie jest stacjonarne. Oczywiście odnosi się do dźwiękowej czarnej dziury stworzonej w laboratorium, jednak naukowcy uważają, że dalsze prace teoretyczne pozwolą stwierdzić, iż wyniki te można też odnieść do czarnych dziur.

Z naszych badań wynikają ważne pytania, gdyż obserwowaliśmy cały cykl życiowy odpowiednika czarnej dziury, zatem widzieliśmy, jak rozpoczynało się promieniowanie Hawkinga. W przyszłości ktoś może porównać uzyskane przez nas wyniki z tym, co mówią teorie na temat procesów zachodzących w czarnych dziurach. Czy rzeczywiście promieniowanie Hawkinga bierze się z niczego.

W pewnym momencie podczas eksperymentów promieniowania otaczające laboratoryjną czarną dziurę stało się bardzo silne. Doszło do tego, czy czarna dziura utworzyła horyzont wewnętrzny. Jego istnienie jest zgodnie z teorią Einsteina. Horyzont wewnętrzny znajduje się wewnątrz czarnej dziury i oddziela obszar bliższy centrum temu dalszemu. Wewnątrz tego horyzontu grawitacja jest znacznie mniejsza, więc znajdujące się tam obiekty mogą się swobodnie przemieszczać. Nie opadają na centrum czarnej dziury. Nie są jednak w stanie wydostać się z czarnej dziury, gdyż nie mogą przekroczyć wewnętrznego horyzontu w stronę horyzontu zdarzeń.

Horyzont zdarzeń to zewnętrzna sfera czarnej dziury. Wewnątrz znajduje się jeszcze jedna mała sfera, horyzont wewnętrzny. Jeśli tam trafisz to nadal jesteś uwięziony w czarnej dziurze, jednak nie odczuwasz dziwacznych praw fizyki w niej obowiązujących. Panuje tam bardziej „normalne środowisko”, oddziaływanie grawitacyjne jest tam znacznie słabsze, wyjaśnia Steinhauer.

Niektórzy fizycy przewidywali, że gdy analog czarnej dziury tworzy wewnętrzny horyzont, rośnie emisja z czarnej dziury. Takie właśnie zjawisko zaobserwował zespół Seinhauera.


« powrót do artykułu
  • Upvote (+1) 1

Share this post


Link to post
Share on other sites
3 godziny temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Naukowcy z Wydziału Fizyki Izraelskiego Instytut Technologii Technion stworzyli dźwiękową czarną dziurę, będącą analogiem rzeczywistych czarnych dziur. To system, z którego fale dźwiękowe nie mogą się wydostać.

Już dawno większy bredni nie czytałem co za trolowanie w wykonaniu KW

Nowy poziom absurdu - dźwiękowa czarna dziura. Lepsza by była tylko chyba elektryczna czarna dziura. Dźwięk ma tyle wspólnego z grawitacją, co woda święcona ze spalaniem czarnej materii.     

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Uczeni z MIT, LIGO oraz University of New Hampshire obliczyli ilość ciężkich pierwiastków jaka powstaje podczas łączenia się czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi i porównali swoje dane z ilością ciężkich pierwiastków powstających podczas łączenia się gwiazd neutronowych. Hsin-Yu Chen, Salvatore Vitale i Francois Foucart wykorzystali przy tym zaawansowane systemy do symulacji oraz dane z obserwatoriów fal grawitacyjnych LIGO-Virgo.
      Obecnie astrofizycy nie do końca rozumieją, w jaki sposób we wszechświecie powstają pierwiastki cięższe niż żelazo. Uważa się, że do ich tworzenia dochodzi w dwojaki sposób. Około połowy takich pierwiastków powstaje w czasie procesu s zachodzącego w gwiazdach o niewielkiej masie (0,5–10 mas Słońca) w końcowym etapie ich życia, gdy gwiazdy te znajdują się w fazie AGB. Są wówczas czerwonymi olbrzymami. Dochodzi tam do nukleosyntezy, kiedy to w warunkach niskiej gęstości neutronów i średnich temperaturach nuklidy wyłapują szybkie neutrony.
      Z kolei mniej więcej druga połowa ciężkich pierwiastków powstaje w szybkim procesie r, podczas wybuchu supernowych i kilonowych. Dochodzi wówczas do szybkiego wychwyceniu wielu neutronów, a następnie serii rozpadów, które prowadzą do powstania stabilnego pierwiastka. Do pojawienia się tego procesu potrzebne są wysokie temperatury i bardzo gęste strumienie neutronów. Naukowcy spierają się jednak co do tego, gdzie zachodzi proces r.
      W 2017 roku LIGO-Virgo zarejestrowały połączenie gwiazd neutronowych, które doprowadziło do olbrzymiej eksplozji zwanej kilonową. Potwierdzono wówczas, że w procesie tym powstały ciężkie pierwiastki. Istnieje jednak możliwość, że proces r ma też miejsce zaraz po połączeniu się gwiazdy neutronowej z czarną dziurą.
      Naukowcy spekulują, że gdy gwiazda neutronowa jest rozrywana przez pole grawitacyjne czarnej dziury, w przestrzeń kosmiczną zostaje wyrzucona olbrzymia ilość materiału bogatego w neutrony. Powstaje wówczas idealne środowisko do pojawienia się procesu r. Specjaliści zastrzegają jednak, że w procesie tym musi brać udział czarna dziura do dość niewielkiej masie, która dość szybko się obraca. Zbyt masywna czarna dziura bardzo szybko wchłonie materiał z gwiazdy neutronowej i niewiele trafi w przestrzeń kosmiczną.
      Chen, Vitale i Foucart jako pierwsi porównali ilość ciężkich pierwiastków, jakie powstają w wyniku obu typów procesu r. Przetestowali przy tym liczne modele, zgodnie z którymi proces r mógłby zachodzić.
      Większość symulacji wykazała, że w ciągu ostatnich 2,5 miliarda lat w wyniku łączenia się gwiazd neutronowych przestrzeń kosmiczna została wzbogacona od 2 do 100 razy większą ilością ciężkich pierwiastków niż w wyniku kolizji czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi. W modelach, w których czarna dziura obracała się powoli, połączenia gwiazd neutronowych dostarczały 2-krotnie więcej ciężkich pierwiastków, niż połączenia czarnej dziury z gwiazdą neutronową. Z kolei tam, gdzie czarna dziura obraca się powoli i ma niską masę – poniżej 5 mas Słońca – połączenia gwiazd neutronowych odpowiadają aż za 100-krotnie więcej ciężkich pierwiastków powstających w procesie r. Do tego, by połączenia czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi odpowiadały za znaczną część pierwiastków powstających w procesie r konieczne jest istnienie czarnej dziury o małej masie i szybkim obrocie. Jednak dane, którymi obecnie dysponujemy, raczej wykluczają istnienia takich czarnych dziur.
      Autorzy badań już planują poprawienie swoich obliczeń dzięki danym z udoskonalanych LIGO i Virgo oraz z nowego japońskiego wykrywacza KAGRA. Wszystkie trzy urządzenia powinny ponownie ruszyć w przyszłym roku. Dokładniejsze obliczenia tempa wytwarzania ciężkich pierwiastków we wszechświecie przydadzą się m.in. do lepszego określenia wieku odległych galaktyk.
      Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Astrophysical Journal Letters.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zjawiska istotne dla czarnych dziur, eksplozji supernowych i innych ekstremalnych wydarzeń kosmicznych mogą zostać odtworzone na Ziemi, twierdzą naukowcy z Pinceton University, SLAC National Accelerator Laboratory oraz Princeton Plasma Physics Laboratory. Dowodzą oni, że współczesna technologia pozwala na uzyskanie procesów kaskadowych opisywanych przez elektrodynamikę kwantową (QED cascades). Procesy takie leżą u podstaw eksplozji supernowych czy szybkich rozbłysków radiowych, w czasie których w ciągu milisekund emitowane jest tyle energii, ile Słońce emituje w ciągu kilku dni.
      Kenan Qu, Sebastian Meuren i Nahaniel J. Fisch poinfornowali na łamach Physical Review Letters, o uzyskaniu pierwszego teoretycznego dowodu, że interakcja laboratoryjnego lasera z gęstym strumieniem elektronów doprowadzi do pojawienia się kaskad. Wykazaliśmy, że to, o czym sądzono, iż jest niemożliwe, w rzeczywistości jest możliwe. To zaś pokazuje, że zjawisko, którego dotychczas nie mogliśmy bezpośrednio obserwować, można uzyskać za pomocą najnowocześniejszych laserów i urządzeń do generowania strumienia elektronów, mówi główny autor artykułu, Kenan Qu.
      Zderzenie silnego impulsu laserowego ze strumieniem elektronów o wysokiej energii prowadzi do powstania gęstej chmury par elektron-pozyton, które zaczynają wchodzić w interakcje. To zaś powoduje kolektywne zachowanie się plazmy, co z kolei wpływa na to, jak pary te wspólnie reagują na pola elektryczna lub magnetyczne.
      Plazma, zjonizowana materia przypominająca gaz, zawiera swobodne cząstki – jony i elektrony – i stanowi około 99% widzialnego wszechświata. Napędza ona reakcje w gwiazdach, a zachodzące w niej procesy są silnie zależne od pól elektromagnetycznych.
      "Poszukiwaliśmy sposobów, na odtworzenie warunków, w jakich powstaną pary elektron-pozyton o gęstości na tyle dużej, by doszło do kolektywnego zachowania się plazmy", mówi Qu. Już znacznie wcześniej wiedziano, że wystarczająco silne lasery, pola magnetyczne lub elektryczne mogą doprowadzić do pojawienia się wspomnianych procesów kaskadowych. Jednak wyliczenia pokazywały, że uzyskanie tak intensywnych promieni laserowych, pól magnetycznych i elektrycznych jest poza naszymi możliwościami.
      Okazuje się, że połączenie współczesnych technologii laserowych z relatywistycznymi strumieniami elektronów wystarczy, by zaobserwować takie zjawisko, mówi profesor Nat Fisch. Kluczem jest tutaj wykorzystanie lasera, który spowolni pary elektron-pozyton tak, by ich masa spadła, przez co zwiększy się ich wpływ na częstotliwość plazmy i wzmocni kolektywne zachowania plazmy. Wykorzystanie już dostępnych technologii jest tańsze, niż próba zbudowania lasera o olbrzymiej intensywności.
      Teraz autorzy badań chcą sprawdzić swoją przewidywania w SLAC National Accelerator Laboratory. Właśnie trwają tam prace nad laserem o umiarkowanej intensywności, a źródło elektronów już się tam znajduje. Jeśli dowiedziemy prawdziwości naszych obliczeń, zaoszczędzimy miliardy dolarów, dodaje Qu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Czarne dziury, tajemnicze, groźne obiekty, które przechwytują wszystko, co znajdzie się w ich pobliżu. Być może jednak chronią nas przed tym, co kryją w swoim wnętrzu – przed osobliwością. Na to pytanie starają się odpowiedzieć specjaliści zajmujący się hipotezą kosmicznej cenzury.
      Z równania Einsteina wynika, że za horyzontem zdarzeń, czyli miejscem, poza którym wszystko znika w czarnej dziurze i które jest niedostępne obserwacyjnie, znajdują się osobliwości. Osobliwość to punkt, w którym przyspieszenie grawitacyjne czy też gęstość materii są nieskończone. Nasz wszechświat wziął się z osobliwości, która istniała na początku Wielkiego Wybuchu.
      O strukturze osobliwości nie wiemy niczego. W ich pobliżu prawdopodobnie obowiązują obce nam prawa fizyczne. Nie zrozumiemy ich dopóty, dopóki fizykom nie uda się stworzyć zunifikowanej teorii łączącej grawitację i fizykę kwantową.
      Nie musimy się jednak obawiać wpływu osobliwości na otoczenie, właśnie dlatego, że znajdują się one wewnątrz czarnych dziur. Sformułowana pod koniec lat 60. ubiegłego wieku hipoteza kosmicznej cenzury Rogera Penrose'a mówi, że osobliwości nie mogą istnieć poza czarnymi dziurami. Przez kilkadziesiąt lat fizycy przyjmowali to za pewnik. I rzeczywiście, nikt nigdy nie zaobserwował nagiej osobliwości, czyli takiej istniejącej poza czarną dziurą.
      Jednak w 2010 roku Luis Lehner i Frans Pretorius przeprowadzili symulacje komputerowe, z których wynikało, że zewnętrzna powierzchnia czarnych dziur może się rozpaść, pozostawiając za sobą nagą osobliwość. Na szczęście możemy spać spokojnie. Z symulacji wynika bowiem, że do takiego rozpadu może dojść wyłącznie we wszechświatach, w których istnieją więcej niż trzy wymiary. Jest zatem niemożliwy w naszym trójwymiarowym wszechświecie opisanym przez ogólną teorię względności.
      Badania Lehnera i Pretoriusa na nowo obudziły zainteresowanie hipotezą kosmicznej cenzury. A specjaliści zastanawiają się, czy do rozpadu czarnej dziury i pojawienia się nagiej osobliwości może dojść w naszym wszechświecie, a jeśli nie może, to dlaczego.
      Obecnie dysponujemy znacznie potężniejszymi komputerami niż jeszcze przed dekadą, nie mówiąc już o maszynach, jakie mógł mieć do dyspozycji Penrose. Fizycy mogą więc lepiej symulować wzrost i ewolucję czarnych dziur oraz próbować zrozumieć, co dzieje się wewnątrz nich. Jednak same moce obliczeniowe to nie wszystko. Wciąż bowiem nie wiemy dokładnie, w jaki sposób symulować czarne dziury.
      Pan Figueras, fizyk z Queen Mary University w Londynie wykazał niedawno, że nagie osobliwości mogą pojawiać się nie tylko w wyniku rozpadu czarnych dziur, ale również wskutek ich zderzeń. A do takich zderzeń dochodzi także w naszym wszechświecie. Jednak Figueras i jego zespół twierdzą, że w naszym wszechświecie zderzenia czarnych dziur zawsze powodują, że osobliwość pozostaje wewnątrz czarnej dziury.
      Hipoteza Penrose'a wciąż nie została ani ostatecznie dowiedziona, ani odrzucona. A pracujący nad nią specjaliści zajmują się nie tyle jej obaleniem, bądź potwierdzeniem, a tworzeniem metod badawczych, pozwalających lepiej poznać czarne dziury i osobliwości. W tym przypadku ważna jest droga, a nie cel.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Astrofizyk Dan Wilkins z Uniwersytetu Stanforda nie był zdziwiony, gdy przyglądając się supermasywnej czarnej dziurze w galaktyce położonej 800 milionów lat świetlnych od Ziemi, zauważył serię jasnych rozbłysków promieniowania rentgenowskiego. Jednak niedługo później czekało go spore zaskoczenie – teleskopy zarejestrowały dodatkowe słabsze rozbłyski o innym „kolorze”. Zgodnie z teorią rozbłyski te pochodzą... spoza czarnej dziury.
      Światło, które wpada do czarnej dziury już się z niej nie wydostaje. Nie powinniśmy więc być w stanie zobaczyć niczego, co jest za czarną dziurą, mówi Wilkins. Mogliśmy je zaobserwować dlatego, że czarna dziura zagina przestrzeń, światło i pola magnetyczne wokół siebie, dodaje uczony.
      Wilkins jest pierwszym, który bezpośrednio zaobserwował promieniowanie pochodzące spoza czarnej dziury. Zjawisko takie jest przewidziane przez ogólną teorię względności, jednak dopiero teraz udało się je potwierdzić.
      Gdy pięćdziesiąt lat temu astrofizycy zaczęli dyskutować o tym, jak może zachowywać się pole magnetyczne w pobliżu czarnej dziury, nie mieli pojęcia,że pewnego dnia można będzie tego użyć do bezpośredniej obserwacji i potwierdzenia teorii Einsteina, mówi profesor Roger Blandford ze SLAC.
      Dan Wilkins nie szukał potwierdzenia teorii względności. Chciał dowiedzieć się więcej o koronie czarnej dziury. To obszar, w którym materiał opadający do czarnej dziury zaczyna świecić i tworzy wokół niej koronę. Korony takie to jedne z najjaśniejszych źródeł stałego światła we wszechświecie. Świecą one w zakresie promieniowania rentgenowskiego, a analiza ich światła pozwala na badanie samej czarnej dziury.
      Wiodące teorie na temat korony mówią, że powstaje ona z gazu wpadającego do czarnej dziury. Gaz rozgrzewa się do milionów stopni, elektrony oddzielają się od atomów i powstaje namagnetyzowana wirująca plazma. W niej zaś powstają rozbłyski promieniowania rentgenowskiego, które badał Wilkins. Gdy chciał poznać ich źródło i przyjrzał im się bliżej, zauważył serię mniejszych rozbłysków. Naukowcy wykazali, że pochodzą one z oryginalnych dużych rozbłysków, których część odbiła się od tyłu dysku otaczającego czarną dziurę. Są więc pierwszym zarejestrowanym światłem pochodzącym z drugiej – patrząc od Ziemi – strony czarnej dziury.
      Wilkins szybko rozpoznał, z czym ma do czynienia, gdyż od kilku lat zajmuje się tworzeniem teorii na temat takich odbić. Ich istnienie wykazała teoria, nad którą pracuję, więc jak tylko je zobaczyłem w teleskopie, zdałem sobie sprawę, że to, co widzę, łączy się z teorią.
      Uczony już cieszy się na przyszłe odkrycia. Pracuje on w laboratorium Steve'a Allena z Uniwersytetu Stanforda, gdzie bierze udział w pracach nad wykrywaczem Wide Field Imager, powstającym na potrzeby przyszłego europejskiego obserwatorium Athena (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics). Będzie ono miało znacznie większe lustro niż jakiekolwiek obserwatorium promieniowania rentgenowskiego, pozwoli nam więc na uzyskanie lepszej rozdzielczości w krótszym czasie. To, co obecnie zaczynamy obserwować stanie się dla nas jeszcze bardziej wyraźne, mówi uczony.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...