Dr. Stephen Hawking kwam in 1974 met een verontrustende theorie die beweerde dat zwarte gaten verdampen. Nu, 40 jaar later, heeft een onderzoeker de creatie van een simulatie van Hawking-straling in een laboratoriumomgeving aangekondigd.
De mogelijkheid van een zwart gat kwam uit Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie. Karl Schwarzchild realiseerde in 1916 als eerste de mogelijkheid van een zwaartekrachtsingulariteit met een grens eromheen waar licht of materie die binnenkomt niet kan ontsnappen.
Deze maand beschrijft Jeff Steinhauer van het Technion - Israel Institute of Technology in zijn paper "Observation of self-amplifying Hawking straling in an analog black-hole laser" in het tijdschrift Nature, hoe hij een analoge event-horizon creëerde met behulp van een stof gekoeld tot bijna absoluut nul en met behulp van lasers kon de emissie van Hawking straling worden gedetecteerd. Zou dit het eerste geldige bewijs kunnen zijn van het bestaan van Hawking-straling en daarmee het lot van alle zwarte gaten bezegelen?
Dit is niet de eerste poging om een Hawking-stralingsanaloog in een laboratorium te maken. In 2010 werd een analoog gemaakt van een glasblok, een laser, spiegels en een gekoelde detector (Phys. Rev. Letter, sept 2010); geen rook vergezelde de spiegels. De ultrakorte puls van intens laserlicht dat door het glas gaat, veroorzaakte een brekingsindexverstoring (RIP) die functioneerde als een eventhorizon. Er werd licht gezien vanuit de RIP. Desalniettemin zijn de resultaten van F. Belgiorno et al. blijven controversieel. Meer experimenten waren nog steeds gerechtvaardigd.
De laatste poging om Hawking-straling door Steinhauer te repliceren, is een meer hightech benadering. Hij creëert een Bose-Einstein-condensaat, een exotische toestand van materie bij een temperatuur van bijna nul. Grenzen gecreëerd binnen het condensaat fungeerden als een evenementenhorizon. Laten we echter, voordat we verder gaan, een stap terug doen en overwegen wat Steinhauer en anderen proberen te repliceren.
Het recept voor het maken van Hawking-straling begint met een zwart gat. Elke maat zwart gat zal het doen. Hawking's theorie stelt dat kleinere zwarte gaten sneller zullen uitstralen dan grotere en dat er, als er geen materie in valt, accretie veel sneller zal "verdampen". Gigantische zwarte gaten kunnen langer dan een miljoen keer de huidige tijd van het heelal verdampen door Hawking-straling. Net als een band met een langzaam lek, brengen de meeste zwarte gaten u naar het dichtstbijzijnde reparatiecentrum.
Je hebt dus een zwart gat. Het heeft een evenementenhorizon. Deze horizon wordt ook wel de Schwarzchild-straal genoemd; licht of materie die binnenkomt in de horizon van het evenement kan nooit uitchecken. Althans, dit was het aanvaarde begrip totdat de theorie van Dr. Hawking het op zijn kop zette. En buiten de horizon van het evenement is er een gewone ruimte met enkele kanttekeningen; overweeg het met wat kruiden toegevoegd. Aan de horizon van de gebeurtenis is de zwaartekracht van het zwarte gat zo extreem dat het kwantumeffecten veroorzaakt en vergroot.
Alle ruimte - in ons en om ons heen tot aan de uiteinden van het heelal omvat een kwantumvacuüm. Overal in het kwantumvacuüm van de ruimte verschijnen en verdwijnen virtuele deeltjesparen; elkaar onmiddellijk op zeer korte tijdschalen te vernietigen. Met de extreme omstandigheden aan de horizon van het evenement, materialiseren virtuele deeltjes- en anti-deeltjesparen, zoals een elektron en positron. Degenen die dicht genoeg bij een horizon van een gebeurtenis verschijnen, kunnen het ene of het andere virtuele deeltje opzuigen door de zwaartekracht van de zwarte gaten, waardoor er slechts één deeltje overblijft dat nu vrij is om toe te voegen aan de straling die rond het zwarte gat komt; de straling die astronomen als geheel kunnen gebruiken om de aanwezigheid van een zwart gat te detecteren, maar deze niet direct waar te nemen. Het is de ontkoppelen van virtuele deeltjes door het zwarte gat aan de horizon van de gebeurtenis die de Hawking-straling veroorzaakt, die op zichzelf een netto verlies van massa uit het zwarte gat vertegenwoordigt.
Dus waarom zoeken astronomen niet gewoon in de ruimte naar Hawking-straling? Het probleem is dat de straling erg zwak is en wordt overweldigd door straling die wordt geproduceerd door vele andere fysische processen die het zwarte gat met een accretieschijf omringen. De straling wordt overstemd door het refrein van energetische processen. De meest directe mogelijkheid is dus om Hawking-straling te repliceren door een analoog te gebruiken. Terwijl Hawking-straling zwak is in vergelijking met de massa en energie van een zwart gat, heeft de straling in wezen de hele tijd in het heelal de tijd om weg te kerven bij zijn ouderlichaam.
Dit is waar de convergentie van het groeiende begrip van zwarte gaten leidde tot het baanbrekende werk van Dr. Hawking. Theoretici, waaronder Hawking, realiseerden zich dat ondanks de Quantum- en Gravitatietheorie die nodig is om een zwart gat te beschrijven, zwarte gaten zich ook gedragen als zwarte lichamen. Ze worden beheerst door thermodynamica en zijn slaven van entropie. De productie van Hawking-straling kan worden gekarakteriseerd als een thermodynamisch proces en dit brengt ons terug bij de experimentalisten. Andere thermodynamische processen kunnen worden gebruikt om de emissie van dit type straling te repliceren.
Met behulp van het Bose-Einstein-condensaat in een vat, richtte Steinhauer laserstralen in het delicate condensaat om een horizon te creëren. Bovendien creëert zijn experiment geluidsgolven die vast komen te zitten tussen twee grenzen die de horizon van de gebeurtenis bepalen. Steinhauer ontdekte dat de geluidsgolven aan zijn analoge gebeurtenishorizon werden versterkt zoals gebeurt met licht in een gemeenschappelijke laserholte, maar ook zoals voorspeld door Dr. Hawking's theorie van zwarte gaten. Licht ontsnapt uit de laser die aanwezig is aan de analoge event horizon. Steinhauer legt uit dat dit ontsnappende licht de lang gezochte Hawking-straling vertegenwoordigt.
Publicatie van dit werk in Nature onderging aanzienlijke peer review om geaccepteerd te worden, maar dat alleen bevestigt zijn bevindingen niet. Het werk van Steinhauer zal nu nog beter onder de loep worden genomen. Anderen zullen proberen zijn werk te dupliceren. Zijn laboratoriumopstelling is analoog en het valt nog te verifiëren dat wat hij waarneemt Hawking-straling echt vertegenwoordigt.
Referenties:
"Observatie van zelfversterkende Hawking-straling in een analoge laser met zwart gat", Nature Physics, 12 oktober 2014
"Hawking Straling from Ultrashort Laser Pulse Filaments", F. Belgiorno, et al., Phys. Brief, sept 2010
"Black hole explosions?", S. W. Hawking, et al., Nature, 1 maart 1974
"The Quantum Mechanics of Black Holes", S. Hawking, Scientific American, januari 1977
