Překvapivý objev: Vědci v laboratoři simulovali černou díru a poprvé pozorovali, jak se ‚vypařuje‘

Fyzikům se podařilo v laboratorních podmínkách simulovat černou díru a poprvé pozorovat mechanismus, kterým ztrácí energii. Tento jev, známý jako Hawkingovo záření, byl předpovězen již v 70. letech, ale přesný způsob, jakým černá díra energii odevzdává, zůstával nejasný.

Fyzikům se podařilo v laboratorních podmínkách simulovat černou díru a poprvé pozorovat mechanismus, kterým ztrácí energii. Tento jev, známý jako Hawkingovo záření, byl předpovězen již v 70. letech, ale přesný způsob, jakým černá díra energii odevzdává, zůstával nejasný. Tým fyziků pod vedením Lorenza Procopia z Paderbornské univerzity v Německu nyní pozoroval analog takzvané zpětné reakce Hawkingova záření, což je klíčový proces odčerpávání energie.

Černé díry jsou jedny z nejextrémnějších objektů ve vesmíru, s tak neuvěřitelnou hustotou, že z jejich gravitačního sevření neunikne nic, ani světlo, jakmile překročí takzvaný horizont událostí. Hawkingovo záření, poprvé navržené Stephenem Hawkingem v roce 1974, je tepelné záření, které by mělo vznikat z kvantových efektů v blízkosti horizontu událostí černé díry. Přímé pozorování tohoto záření u skutečných černých děr je však v současné době nemožné, protože signál je příliš slabý na to, aby byl rozlišen od pozadí vesmírného záření. Proto vědci vytvářejí laboratorní analogové systémy, které se řídí stejnými fyzikálními principy.

Pro tuto studii byl použit analog vyvinutý před více než deseti lety Ulfem Leonhardtem z Weizmannova institutu věd v Izraeli. Využívá ultrarychlé laserové pulzy procházející speciálně upraveným optickým vláknem. Jeden pulz mění optické vlastnosti vlákna natolik, že vytváří analog horizontu událostí pro druhý pulz. Zatímco předchozí experimenty s tímto uspořádáním reprodukovaly samotné Hawkingovo záření, tentokrát se vědci zaměřili na jemnější jev – drobnou zpětnou reakci, která odhaluje, jak je energie přenášena z analogové černé díry do emitovaného záření. Zpětnou reakci si lze představit jako Newtonův třetí zákon akce a reakce: když Hawkingovo záření odnáší energii, systém, který ho vytvořil, musí odevzdat ekvivalentní množství energie.

Když vědci poslali laserové pulzy optickým vláknem, hledali efekt „zpětného rázu“ na pulzu, který generoval analogové Hawkingovo záření. A našli ho. Překvapivě, zatímco se dříve myslelo, že Hawkingovo záření v analogových černých dírách vzniká složitou kaskádou optických interakcí, nové výsledky ukazují na jediný, přímý proces, který přirozeně vysvětluje jak záření, tak zpětnou reakci. Tento objev zjednodušuje teoretické chápání a otevírá nové cesty pro výpočty v takových systémech. Může také objasnit, jak Hawkingovo záření vzniká v kontextu gravitace, a potenciálně pomoci vyřešit informační paradox, se kterým se Stephen Hawking potýkal až do své poslední práce v roce 2018. Pokud se tento mechanismus potvrdí i v jiných typech analogů černých děr, posílí to argument, že vědci identifikovali něco zásadního o samotném Hawkingově záření.