Чорні діри й надалі залишаються одними з найбільш інтригуючих об'єктів Усесвіту, ставлячи під сумнів самі основи фундаментальних законів фізики. Теоретично обґрунтоване випромінювання Хокінга припускає, що ці гравітаційні гіганти здатні поступово випаровуватися, проте зафіксувати цей процес у глибокому космосі майже неможливо через надзвичайний рівень електромагнітного шуму. Аби верифікувати цю гіпотезу, дослідники створюють земні аналоги екстремальних умов, застосовуючи передові методи квантової оптики. Останній експеримент дозволив не лише відтворити імітацію горизонту подій, а й детально проаналізувати динаміку втрати енергії системою.
Еволюція спроб відтворити фізику чорних дір у лабораторних умовах пройшла довгий шлях. На ранніх етапах дослідники обмежувалися максимально спрощеними моделями — аж до звичайних вирів у раковині, що наочно демонстрували принцип затягування матерії. Згодом їм на зміну прийшли складніші системи на базі переохолоджених рідин, де квантові ефекти дозволяли спостерігати явища, що віддалено нагадували випромінювання Гокінга. Проте головною проблемою залишалося вивчення самого механізму передачі енергії: того, як саме чорна діра «віддає» свою масу у вигляді випромінювання.
Для вирішення цього завдання команда з Падерборнського університету застосувала принципово інший підхід, створивши оптичну систему на базі нелінійного кристала, що виконує роль хвилевода. У цій установці фізики імітували поведінку світла в безпосередній близькості до горизонту подій. В астрофізичному масштабі горизонт подій є математичною межею, за якою швидкість відриву має перевищувати швидкість світла, що робить вихід із цієї області неможливим. У лабораторній моделі роль такої межі взяв на себе потужний короткий лазерний імпульс, що рухається всередині оптоволокна.
Механіка процесу ґрунтується на зміні фізичних властивостей середовища. Проходячи крізь кристалл, інтенсивний лазерний імпульс тимчасово модифікує показник заломлення матеріалу, що безпосередньо впливає на швидкість поширення світла. Для іншого, слабшого зондувального імпульсу ця область стає свого роду «рухомою стіною» або бар'єром, який неможливо подолати у звичайному режимі. Саме ця динамічна межа і стала функціональним аналогом горизонту подій.
Під час взаємодії слабкого імпульсу з цією областю відбувалася трансформація випромінювання: частина світла змінювала свою частоту, і виникали пари сигналів. Ці пари за своїми характеристиками ідентичні тим, що мають генеруватися при випромінюванні Гокінга в реальних чорних дірах.
Однак найбільш значущим результатом стало спостереження зворотного впливу цього процесу на саму систему. Дослідники зафіксували імітацію втрати енергії чорною дірою. В умовах експерименту це проявилося як перерозподіл енергії всередині основного лазерного імпульсу: частина його потужності витрачалася на створення нових світлових компонентів з іншими частотами. Цей процес дзеркально відображає теоретичний механізм, за якого реальна чорна діра поступово втрачає масу та енергію, що зрештою призводить до її повного випаровування.
Реєстрація настільки слабких сигналів вимагала ювелірної точності. Вченим довелося провести детальний порівняльний аналіз спектрів світла до і після взаємодії, відсікаючи паразитні оптичні ефекти та фіксуючи випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні. Аналіз залежності сигналу від потужності пробного імпульсу показав, що одна частина ефекту зростає лінійно, а інша — квадратично, що повністю збігається з теоретичними розрахунками.
Попри те, що автори роботи обережно заявляють про неможливість повністю виключити всі побічні нелінійні процеси в такій складній системі, експеримент задає важливий вектор розвитку науки. Він не є прямим доказом випаровування реальних астрофізичних об'єктів, але наочно демонструє роботу механізмів передачі енергії на рівні хвиль. Головний висновок дослідження ставить під сумнів раніше прийняті теорії: схоже, що каскадний механізм переходу енергії чорної діри у випромінювання Гокінга набагато простіший і лінійніший, ніж вважалося раніше.
Фізика хаосу проти голлівудського глянцю
