1974 gjorde Stephen Hawking en av sina mest berömda förutsägelser: att svarta hål så småningom förångas helt.
Enligt Hawkings teori är svarta hål inte perfekt "svarta" utan istället avger faktiskt partiklar. Denna strålning, trodde Hawking, kunde så småningom sifonera tillräckligt med energi och massa bort från svarta hål för att få dem att försvinna. Teorin antas allmänt vara sant men ansågs en gång nästan omöjligt att bevisa.
För första gången har fysiker emellertid visat denna svårfångade Hawking-strålning - åtminstone i ett labb. Även om Hawking-strålning är för svag för att detekteras i rymden av våra nuvarande instrument, har fysiker nu sett denna strålning i en svarthålsanalog skapad med ljudvågor och några av de kallaste, konstigaste ämnen i universum.
Par av partiklar
Svarta hål utövar en så otroligt kraftfull tyngdkraft att till och med en foton, som rör sig med ljusets hastighet, inte kunde undkomma. Medan rymdvakuumet i allmänhet anses vara tomt, dikterar kvantmekanikens osäkerhet att ett vakuum istället vrimlar av virtuella partiklar som flyter in och ut ur existensen i material-antimateriella par. (Antimateriella partiklar har samma massa som deras motsvarigheter, men motsatt elektrisk laddning.)
Normalt, efter att ett par virtuella partiklar dyker upp, förintas de omedelbart varandra. Bredvid ett svart hål drar emellertid de extrema tyngdkrafterna partiklarna isär, med en partikel absorberad av det svarta hålet när den andra skjuter ut i rymden. Den absorberade partikeln har negativ energi, vilket minskar det svarta hålets energi och massa. Svälja tillräckligt av dessa virtuella partiklar, och det svarta hålet förångas så småningom. Den utströmmande partikeln blir känd som Hawking-strålning.
Denna strålning är tillräckligt svag för att det är omöjligt just nu för oss att observera den i rymden, men fysiker har funderat mycket kreativa sätt att mäta den i ett labb.
En vattenfallshorisont
Fysikern Jeff Steinhauer och hans kollegor vid Technion - Israel Institute of Technology i Haifa använde en extremt kall gas som kallas ett Bose-Einstein-kondensat för att modellera händelseshorisonten för ett svart hål, den osynliga gränsen bortom vilken ingenting kan undkomma. I en strömmande ström av denna gas placerade de en klippa och skapade ett "vattenfall" av gas; när gasen flödade över vattenfallet förvandlade den tillräckligt med potentiell energi till kinetisk energi för att flöda snabbare än ljudets hastighet.
Istället för materia och antimateriella partiklar använde forskarna par fononer, eller kvantljudvågor, i gasflödet. Fononet på den långsamma sidan kunde röra sig mot gasflödet, bort från vattenfallet, medan fononet på den snabba sidan inte kunde fångas av det "svarta hålet" av supersonisk gas.
"Det är som om du försökte simma mot en ström som gick snabbare än du kunde simma," sa Steinhauer till Live Science. "Du skulle känna att du gick framåt, men att du verkligen skulle gå tillbaka. Och det är analogt med en foton i ett svart hål som försöker komma ut ur det svarta hålet men dras av tyngdkraften på fel sätt."
Hawking förutspådde att strålningen av utsända partiklar skulle ligga i ett kontinuerligt spektrum av våglängder och energier. Han sa också att det kunde beskrivas med en enda temperatur som endast var beroende av det svarta hålets massa. Det senaste experimentet bekräftade båda dessa förutsägelser i det soniska svarta hålet.
"Dessa experiment är en tour de force," sa Renaud Parentani, en teoretisk fysiker vid Laboratoire de Physique Théorique vid Paris-Sud University, berättade för Live Science. Parentani studerar också analoga svarta hål men från en teoretisk vinkel; han var inte involverad i den nya studien. "Det är ett mycket exakt experiment. Från den experimentella sidan är Jeff verkligen för tillfället den världsledande experten på att använda kalla atomer för att undersöka fysik i svarthål."
Parentani betonade dock att denna studie är "ett steg längs en lång process." I synnerhet visade inte denna studie de fononpar som korrelerade på kvantnivå, vilket är en annan viktig aspekt av Hawkings förutsägelser.
"Historien kommer att fortsätta," sade Parentani. "Det är inte alls slutet."
