Сверхтекучий гелий (He II), задействованный в новом эксперименте, часто используют для быстрого охлаждения объектов. Однако авторы исследования нашли новое применение He II — симулирование искривленного пространства-времени под влиянием черной дыры.
Черные дыры — область пространства-времени, в которой гравитация достигает такой силы, что ничто, даже кванты света, не может ее покинуть. Такие области образуются за счет сильного сжатия звезды в стадии ее умирания. В центре Млечного Пути находится черная дыра под названием Стрелец А*, масса которого в четыре миллиона раз больше Солнца.
Поскольку подобные сверхмассивные объекты не излучают свет, астрофизики изучают черные дыры по их взаимодействию с другими космическими объектами. Так, в 2019 году Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий») удалось сфотографировать силуэт черной дыры M87, то есть раскаленный диск из газа и пыли, который притянула М87. Недавно астрофизики опубликовали исследование в журнале Nature, где описали искривление пространства-времени, созданное гипотетической черной дырой.
Астрофизики создали симуляцию искривления пространства-времени, использовав установку, которая вращала сверхтекучий гелий (He II), для изучения поведения и взаимодействия черных дыр со средой. Сверхтекучесть гелия проявляется при температуре ниже 271 градуса Цельсия. Кинематическая вязкость гелия при такой температуре снижается в 100 раз по сравнению с водой, что дало возможность авторам исследования провести аналогию между гравитацией (взаимодействие без «трения») и He II.
Ученые задействовали экспериментальную установку, пропеллер внутри которой вращал охлажденный He II в экспериментальной зоне. В процессе вращения в сверхтекучем гелии образовывались квантовые вихри (замкнутые контуры потока), имитировавшие гравитационные условия вблизи черной дыры. При увеличении скорости вращения пропеллера образовывалось расширяющееся полое вихревое ядро. Астрофизики исследовали процесс испарения построенного ими экспериментального аналога черной дыры, удерживая вихревое ядро вне экспериментальной зоны и наблюдая при этом за вихревыми потоками.
Также авторы работы заметили, что квантовые вихри создавали в сверхтекучем гелии определенное поле скоростей, — это повлияло на распространение малых волн на поверхности He II. Только некоторые высокочастотные (эквивалентные высокой энергии) волны обладали возможностью распространения по поверхности гелия.
«Ключевые процессы во вращающемся искривленном пространстве-времени, такие как сверхизлучение (явление усиления отраженной от вращающейся черной дыры волны) и „звон“ черных дыр, можно исследовать в нынешней системе с небольшими корректировками скорости пропеллера, геометрии контейнера или путем динамически изменяемых параметров потока», — добавили исследователи.
Новая симуляция предоставит возможность изучать искривления пространства-времени, создаваемое черными дырами, в земных условиях, не привлекая телескопы и другую технику, которые, по описанным выше причинам, часто мало что могут в отношении такого рода объектов.