Nowatorska platforma. Kwantowe tornado do badania czarnych dziur

Hel schłodzony do temperatury zaledwie kilku stopni powyżej zera absolutnego staje się nadciekły. W tym stanie o zachowaniu materii decydują zjawiska kwantowe. W cieczy zanika lepkość, czyli tarcie wewnętrzne, więc nie traci energii kinetycznej podczas ruchu. Materia w tym stanie wprowadzona w ruch w obiegu zamkniętym może krążyć w nieskończoność bez dodatkowego nakładu energii.

Badania prowadzone pod kierunkiem naukowców z Uniwersytetu w Nottingham, we współpracy z badaczami z King's College London i Newcastle University, pozwoliły stworzyć nowatorską platformę eksperymentalną do badania czarnych dziur. Wir wygenerowany w nadciekłym helu naśladuje środowisko tych obiektów z tak dużą precyzją, że daje bezprecedensowy wgląd w to, w jaki sposób oddziałują one otoczeniem.

Wyniki oraz opis badań opublikowano w czasopiśmie "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-024-07176-8).

- Wykorzystanie nadciekłego helu pozwoliło nam badać drobne fale powierzchniowe z większą szczegółowością i dokładnością niż w przypadku naszych poprzednich eksperymentów z udziałem wody. Lepkość nadciekłego helu jest niezwykle mała i dzięki temu byliśmy w stanie szczegółowo zbadać interakcję fal z nadciekłym tornadem i porównać wyniki z naszymi przewidywaniami teoretycznymi – powiedział Patrik Svancara z Uniwersytetu w Nottingham, główny autor publikacji.

Prace rozpoczęto od skonstruowania specjalnego systemu chłodzącego, który mieścił w sobie kilka litrów nadciekłego helu. Uczeni schłodzili hel do temperatury minus 271 stopni Celsjusza. W tej temperaturze ciekły hel nabiera niezwykłych właściwości kwantowych. Właściwości te zazwyczaj utrudniają tworzenie się wirów w innych nadciekłych substancjach, ale w przypadku helu można je ustabilizować.

Jak przyznał Svancara, w nadciekłym helu są obecne maleńkie obiekty zwane wirami kwantowymi, które mają tendencję do oddalania się od siebie. - W naszym układzie udało nam się zamknąć dziesiątki tysięcy tych kwantów w zwartym obiekcie przypominającym małe tornado, osiągając w cieczy kwantowej przepływ wirowy o rekordowej sile – wyjaśnił badacz.

Czarne dziury nie emitują i nie odbijają światła. Obiekty te są tak masywne, że po osiągnięciu pewnego punktu (horyzontu zdarzeń) prędkość ucieczki, czyli prędkość potrzebna do opuszczenia pola grawitacyjnego obiektu, przekracza prędkość światła w próżni i nawet światło nie jest w stanie opuścić tego obszaru. Dlatego też czarnych dziur nie można bezpośrednio zaobserwować, a co za tym idzie, nie można też ich skutecznie badać. Uczeni są w stanie je zlokalizować na podstawie oddziaływań z otaczającą je materią oraz światłem.

Przyglądając się swoim wirom uczeni dostrzegli intrygujące podobieństwa ich kwantowego ruchu z grawitacyjnym oddziaływaniem wirujących czarnych dziur na otaczającą czasoprzestrzeń. To otwiera nowe możliwości symulacji czarnych dziur i badania ich interakcji z otoczeniem.

- Kiedy po raz pierwszy zaobserwowaliśmy wyraźne sygnatury fizyki czarnych dziur w naszym eksperymencie w 2017 r., był to przełomowy moment dla zrozumienia niektórych dziwacznych zjawisk, których badanie w inny sposób jest często trudne, jeśli nie niemożliwe – powiedział profesor Silke Weinfurtner, współautor publikacji. - Teraz, dzięki naszemu wyrafinowanemu eksperymentowi, przenieśliśmy te badania na wyższy poziom, co może nas ostatecznie doprowadzić do zrozumienia, jak pola kwantowe zachowują się w zakrzywionej czasoprzestrzeni wokół astrofizycznych czarnych dziur – dodał.

Źródło: University of Nottingham, fot. Leonardo Solidoro