Fekete lyuk lézerrel tesztelnék Hawking elméletét

Egy skóciai laboratóriumban egy forradalmi lézer kezd testet ölteni, az első, ami egy mesterséges fekete lyukból készül.

Amint elkészül, az eszköz segíthet megerősíteni azt az egyre növekvő bizonyítékhalmazt, mely szerint a fekete lyukak - nevük és a róluk kialakult kép ellenére - fényt bocsátanak ki. A fekete lyuk-lézernek emellett gyakorlati alkalmazásokat is szánnak, olyan eszközökben, amik egy anyag tulajdonságait vizsgálják anélkül, hogy kárt tennének abban.

A lézer alapja egy jelenség, amit Stephen Hawking jövendölt meg még az 1970-es években, és amire a fizikusok azóta is vadásznak. Bár a fekete lyukak mérhetetlen gravitációjából még a fény sem képes kiszabadulni, Hawking számítása szerint a kozmikus szörnyetegeknek egy halvány izzást, egyfajta hőmérsékleti sugárzást kell kibocsátaniuk, ezt nevezik Hawking-sugárzásnak.

Mindez a kvantumelmélet egyik folyománya, ami kimondja, hogy egy vákuum valójában nem üres, hanem egy lebegő részecskéktől és antianyag ellenpárjaiktól nyüzsgő közeg. Normális esetben ezek a párok természetükből adódóan hamar kioltanák egymást, azonban ha egy fotonpár túl közel jelenik meg egy fekete lyukhoz, akkor az egyik elnyelődhet, míg a másik elszökhet. Az ebből származó izzás a természetesen kialakuló fekete lyukak esetében, mint ami galaxisunk közepén is elhelyezkedik, túl halvány ahhoz, hogy lássuk, ezért Hawking elméletének megerősítéséhez a fizikusoknak meg kellett építeniük mesterséges megfelelőiket, lemásolva az eseményhorizont fizikáját.

2010-ben Daniele Faccio, az Edinburgh-i Heriot-Watt Egyetem kutatója munkatársaival megépített egy ilyen rendszert. Mivel gravitációs eseményhorizontot elég nagy kihívás megalkotni, a potenciális veszélyeiről már nem is szólva, ezért "horizontjuk" egy üvegdarabon áthaladó lézerfény impulzus volt. Az impulzus mozgás közben átmenetileg megnövelte az üveg törésmutatóját egy gradienst alkotva, melynek nyomvonalán egy második impulzus lelassulna, ez a lassulás pedig egyre nagyobb mértéket ölt, ahogy a két impulzus távolsága csökken. A lényeg, hogy a második impulzus soha nem lenne képes áthaladni az elsőn, így az első egy eseményhorizonttá válik az második szemszögéből. A kutatók fotontöbblet kiáramlást észleltek horizontjukból, amire a Hawking-sugárzás bizonyítékaként tekintettek. Más fizikusok azonban nem ismerik el ezt az eredményt, mondván, a csapat nem valódi fekete lyukkal dolgozott. Hamarosan azonban a Heriot-Watt csapat képes lehet elkészíteni fekete lyuk modelljüket, ami már meggyőzőbben bizonyíthatja Hawking jövendölését.

Hogyan lehet lézerekkel fekete lyukat előállítani? A hagyományos lézerek fényüket két tükör, valamit egy félvezető anyag, az úgynevezett gerjesztett médium segítségével erősítik fel. Ahogy a fotonok oda-vissza pattognak a tükrök között izgatni kezdik a gerjesztett médium atomjait, amik az eredetiekkel megegyező frekvenciával rendelkező fotonokat bocsátanak ki, végül egy lézer fénysugarat eredményezve. 1999-ben Ted Jacobson, az amerikai Maryland Egyetem tudósa felvetette a két tükör lecserélésnek ötletét egy fekete lyukra, és ellentettjére, egy fehér lyukra. A természetben soha nem észlelt fehér lyuk lehetővé tenné a fotonok előbukkanását, azonban nem tenné lehetővé a beáramlásukat. Faccio csapata kidolgozta, hogyan ültethetnék át Jacobson ötletét a gyakorlatba. Tervük szerint két fényimpulzust küldenek át gyors egymásutánban egy mesterséges gyémánton, ami egy fekete lyukban megbúvó mesterséges fehér lyuk megfelelője lenne. "Kozmológiai szempontból nem sok értelme van, egyszerűen képtelenség. Ezekben a laboratóriumi modellekben azonban megoldható" - mondta Faccio.

A horizontok közé beinjektált fény oda-vissza pattogna, mivel a fehér lyukba nem tud belépni, ugyanakkor a fekete lyukból nem tud kilépni. Amennyiben a Hawking-sugárzás létezik, a pattogás közben felerősödik, lézer fényt alkot és sokkal könnyebb lesz az észlelése, mint a korábbi kísérletek többlet sugárzásáé. A hagyományos lézerekkel ellentétben az így keletkező fény folyamatosan változtatja frekvenciáját, vagy színét haladása közben, véli Faccio. Ez annak köszönhető, hogy a két egymással szemben elhelyezkedő tükörrel ellentétben a fekete- és a fehér lyuk eseményhorizontjai ellentétes hatást gyakorolnak a nekik csapódó fotonokra. Amint a fény feltűnik a fehér lyuk eseményhorizontján, ahol a törésmutató hirtelen megnő, hullámhossza felgyűrődik, akárcsak egy rajzfilm falnak csapódó autója, eredeti színe "kékeltolódással" az ultraibolya tartomány felé tolódik. Amikor visszapattan a fekete lyuk eseményhorizontjára, pontosan ennek az ellentettje következik be, a fény elnyúlik az infravörös tartomány felé. "Ez egy igazán különös lézer, mivel a fénye folyamatos két szélsőség között mozog" - mondta Faccio.

A csapat már elkészült a lézer fehér lyuk felével, jelenleg a fekete lyuk részen dolgoznak, majd megkísérlik előidézni a Hawking-sugárzást. A kísérlethez egy 0,5 milliméteres gyémántot használnak, ami az összes hullámhossz számára átlátszó. Faccio bizakodó, mondván, a fehér lyuk azon tulajdonságai, melyek kékeltolódást idéznek elő a fénynél, ugyanazon matematikából erednek, mint Hawking egyenletei, vagyis ha a kékeltolódást észlelik, akkor a vöröseltolódásból adódó megnyúlásnak is jelen kell lennie.

Jacobson azonban nem igazán bízik abban, hogy ez a rendszer képes lesz akárcsak megközelítőleg visszaadni egy valódi fekete lyukat, ezáltal megfelelő bizonyítékokat szolgáltatni a jelenségre. Mindezektől függetlenül Faccio találmánya több területen is alkalmazható lehet. Az így kapott alacsony energiájú terahertzes hullámok alkalmasak az anyagok sérülés nélküli szondázására, ami jól jöhet a reptéri biztonsági rendszereknél, ugyanakkor több laboratóriumi alkalmazásnál is hasznát vehetik, tette hozzá Faccio.