• Ciência Surpreendente

Um buraco negro feito de som confirmou a radiação Hawking?

Uma das previsões de Stephen Hawking parece ter sido confirmada em um 'buraco negro' feito pelo homem.

• Stephen Hawking previu partículas virtuais se dividindo em duas devido à atração gravitacional dos buracos negros.
• Os buracos negros, ele também disse, eventualmente evaporariam devido à absorção de partículas virtuais carregadas negativamente.
• Um cientista construiu um buraco negro análogo baseado em som em vez de luz.

Embora os buracos negros possam muito bem ser pontos no espaço em que tudo cai e dos quais nem mesmo a luz pode escapar, a imagem que muitos de nós temos de um comedor de universo sempre crescente pode não ser assim. Stephen Hawking achava que não. Ele teorizou que os buracos negros eventualmente evaporam como um subproduto da liberação gradual de minúsculos fragmentos de radiação agora conhecidos como 'radiação Hawking'. Essas emissões são muito fracas para observarmos de tão longe, mas agora o comportamento de uma espécie de buraco negro artificial criado em laboratório deu suporte à teoria de Hawking. Não há nada nesta história que não seja interessante . Por um lado, este 'buraco negro' artificial é feito de som. Também é formado dentro de algum condensado Bose-Einstein sempre bizarro.

O que Hawking previu

Físico Stephen Hawking.

Foto: Bruno Vincent / Getty

Embora seja sabido que os fótons não podem escapar da atração de um buraco negro, as equações de Hawking, intolerantes ao nada absoluto, sugeriram que o espaço 'vazio' está realmente cheio de pares virtuais quânticos de matéria / antimatéria que piscam para a existência e se aniquilam imediatamente graças às suas cargas elétricas opostas, piscando rapidamente novamente.

Hawking propôs que quando pares virtuais surgem perto de um buraco negro, porém, eles são separados pela atração do buraco negro, com a antimatéria sendo sugada enquanto a matéria dispara para o espaço - neste ponto, eles estão não mais partículas virtuais, mas reais. A carga negativa pertencente às partículas de antimatéria reduz a energia e a massa do buraco negro que o absorveu por uma pequena quantidade - no entanto, quando um buraco negro ingere uma quantidade suficiente delas, ele evapora. As partículas carregadas positivamente voam como o que agora é chamado de 'radiação Hawking'. Seria muito fraco, mas mesmo assim estava lá.

Hawking também previu que a radiação emitida exibiria um espectro térmico contínuo, em vez de comprimentos de onda de luz discretos preferidos por fótons que escapam individualmente. A temperatura do espectro seria determinada pela massa do buraco negro.

Parte do problema em testar as teorias de Hawking foi resumido pelo físico Silke Weinfurtner, que escreveu :

“A temperatura associada à radiação de Hawking, conhecida como temperatura de Hawking, é inversamente proporcional à massa do buraco negro. E para os menores buracos negros observados, que têm uma massa semelhante à do Sol, essa temperatura é de cerca de 60 nanokelvin. A radiação Hawking, portanto, produz um sinal minúsculo e parece que o fenômeno não pode ser verificado por meio da observação. '

O buraco negro analógico em Haifa

Físico Jeff Steinhauer.

Fonte da imagem: Technion – Israel Institute of Technology

Físico experimental Jeff Steinhauer do Technion-Israel Institute of Technology em Haifa, Israel, foi trabalhando sozinho em seu laboratório por anos criando 'buracos negros' sônicos que sugam e prendem as ondas sonoras. (Ele também é baterista.) Físico William Unruh da University of British Columbia em Vancouver, Canadá, propôs pela primeira vez a criação de uma réplica de um buraco negro de onda sonora em 1981 como uma maneira segura de observar o comportamento da versão estelar. (Afinal, criar um buraco negro real em um laboratório ou em qualquer lugar próximo pode levar ao Fim da Vida como a Conhecemos.)

A réplica do buraco negro de Steinhauer foi 'construída' dentro de um Condensado de Bose-Einstein (BEC), uma forma extremamente estranha de matéria na qual os átomos são resfriados a uma temperatura quase inexistente do zero absoluto. A esta temperatura, há tão pouca energia disponível que os átomos mal se movem em relação uns aos outros e, portanto, todo o superfluido começa a se comportar como um grande átomo unificado. Dentro de tal condensado frígido, flutuações quânticas fracas ocorrem, e estas produzem pares de fônons , ondas de compressão que podem criar as mudanças de pressão do ar que percebemos como som.

Trabalhando com uma armadilha em forma de charuto com apenas alguns milímetros de comprimento, Steinhauer resfriou cerca de 8.000 átomos de irídio em um BEC. Dentro dele, a velocidade do som, a taxa na qual o condensado fluía, caiu de 343 metros por segundo para quase meio milímetro por segundo estacionário. Reduzindo a densidade de uma área do BEC para permitir que os átomos viajassem a 1 milímetro por segundo, embora ele tenha criado uma região supersônica - pelo menos em comparação com a velocidade mais baixa no resto do condensado, é claro. Sua corrente comparativamente rápida oprimiu e puxou todos os fônons de alta energia que se aproximaram de seu horizonte de eventos, prendendo-os assim.

Em agosto, Steinhauer publicou um artigo em Natureza que documentou sua observação de fônons emergindo de seu buraco negro artificial de acordo com as previsões de Hawking. Steinhauer relata pares de fônons emaranhados surgindo juntos equidistantes ao longo do horizonte de eventos do condensado e se comportando como Hawking previu: um puxou a cachoeira supersônica e ficou preso na região supersônica, e o outro escapando para fora, para longe dela, exatamente como a radiação de Hawking faria Faz. A simetria no número de fônons dentro e fora do horizonte de eventos apoiou ainda mais seus inícios emaranhados e eventual separação, como na previsão de Hawking.

Além disso, os fônons irradiados agregados de fato produziram um espectro térmico determinado pelo sistema análogo à gravidade / massa, que no caso deste modelo era a relação entre a velocidade do som e o fluxo do BEC, e não fônons individuais. comprimentos de onda sônicos.

As analogias geralmente são imperfeitas

Fonte da imagem: Alex Farias / Shutterstock

Embora o comportamento dos fônons de Steinhauer em seu análogo do buraco negro certamente apóie a plausibilidade da hipótese de Hawking, não constitui uma prova. Seu experimento lida com som e fônons em vez de luz e fótons e, obviamente, opera em uma escala totalmente diferente de um buraco negro real - e a escala importa na física quântica. Ainda assim, é fascinante.

Físico teórico Renaud Parentani entusiasma-se com Ciência Viva , 'Esses experimentos são um tour de force. É um experimento muito preciso. Do lado experimental, Jeff Steinhauer é realmente, no momento, o especialista líder mundial em usar átomos frios para sondar a física de buracos negros. ' Outros não estão tão impressionados. Falando com Natureza , físico Ulf Leonhardt diz que embora, 'Com certeza, este é um artigo pioneiro', ele o considera incompleto, no entanto, em parte porque Steinhauer só foi capaz de correlacionar fônons de alta energia ao longo do horizonte de eventos, e não encontrou que fônons de baixa energia também se comportou como Hawking previu. Além disso, Leonhardt está preocupado com o fato de que o que estava dentro da armadilha não era um verdadeiro BEC, e que poderia estar produzindo outras formas de flutuação quântica que apenas Veja como radiação Hawking.

Compartilhar: