Области вокруг чёрных дыр представляют собой жёсткую и турбулентную среду, которая управляется физикой, недоступной в других уголках Вселенной. Исследовательская группа под руководством учёных Ноттингемского университета смогла изучить эти явления в лабораторных условиях. Они создали закрученный квантовый вихрь в сверхтекучем гелии, охлаждённом до ультрахолодных температур, что в сущности имитировало чёрную дыру на Земле.

«Квантовый торнадо» породил крошечные волны на поверхности сверхтекучей жидкости, которая обладает особым свойством — отсутствием трения и другими экзотическими характеристиками, наблюдаемыми при почти абсолютном нуле. В результате волнового взаимодействия с квантовым вихре», были созданы условия, подобные тем, что происходят вблизи вращающихся чёрных дыр.

 Иллюстрация чёрной дыры в сверхтекучей жидкости 
Источник: Robert Lea

«Использование сверхтекучего гелия позволило нам более подробно и точно изучить поверхностные волны, чем в предыдущих экспериментах с водой. Благодаря очень низкой вязкости сверхтекучего гелия, мы смогли тщательно исследовать их взаимодействие с квантовым вихрем и сравнить полученные результаты с нашими теоретическими предсказаниями», — рассказал Патрик Сванкара, руководитель исследовательской группы из Ноттингемского университета.

Чтобы понять, почему этот эксперимент помогает лучше понять природу чёрных дыр, можно вернуться к общей теории относительности, которую Альберт Эйнштейн представил в 1915 году. Согласно этой теории, пространство и время представляют собой одно целое, а гравитация возникает, когда массивные объекты искривляют пространство-время. 

Чёрные дыры являются областями пространства-времени, созданными крайне плотной и компактной массой — сингулярностью, в которой нарушаются привычные законы физики. Внешняя граница этих областей, называемая горизонтом событий, представляет собой раздел, после которого даже фотоны не достаточно быстры, чтобы покинуть горизонт событий.

Чёрные дыры характеризуются тремя известными параметрами: электрическим зарядом, массой и угловым моментом (спин). Вращающаяся чёрная дыра, известная как «чёрная дыра Керра», имеет угловой момент и увлекает за собой пространство-время в направлении своего вращения. Это эффект, известный как «эффект Лензе-Тирринга» по имени учёных, которые первые это предложили.

Слева — экспериментальная установка, используемая командой. Справа — квантовый торнадо, созданный командой в сверхтекучем гелии
Источник: Leonardo Solidoro

Принимая во внимание, как эффект Ленза-Тирринга и поведение материи вокруг чёрной дыры Керра влияют на окружающую область, учёные предположили, что вихрь в жидкости или торнадо в атмосфере, являются грубым аналогом таких областей пространства-времени. Однако, абсолютно новым является то, что этот вихрь, имитирующий чёрную дыру, прежде не наблюдался в предыдущих экспериментах, проведённых с обычной жидкостью. Он был реализован в сверхтекучей среде, охлаждённой практически до абсолютного нуля.

Для проведения эксперимента исследовательская команда разработала специальную криогенную систему для нескольких литров гелия, охлаждённого до температуры ниже -271 градуса по Цельсию. Это на 3-4 градуса выше абсолютного нуля, который составляет -273,15 градуса по Цельсию. Абсолютный нуль является теоретически самой низкой возможной температурой, при которой движение атомов прекращается.

При достигнутых в эксперименте температурах, жидкий гелий приобретает квантовые свойства, которые не позволяют образование крупных вихрей. Команда исследователей создала «квантовый торнадо» в ультрахолодной сверхтекучей жидкости, используя множество мелких компонентов.

Иллюстрация вращающейся чёрной дыры, увлекающая за собой ткань пространства-времени
Источник: Robert Lea

«Сверхтекучий гелий содержит квантовые вихри, которые обычно имеют склонность расходиться. Нам удалось собрать десятки тысяч этих квантовых вихрей в компактном объекте, напоминающем небольшой торнадо, что создал вихревой поток с рекордной силой в контексте квантовых жидкостей», — пояснил Сванкара.

Исследователи обнаружили параллели между «квантовым торнадо» и тем, как гравитация чёрных дыр влияет на пространство-время. Команда надеется, что их эксперимент сможет открыть путь к более глубокому моделированию квантовой физики в искривлённом пространстве-времени, включая моделирование экзотических свойств пространства-времени вокруг чёрных дыр.

«Когда мы впервые наблюдали явные признаки физики чёрных дыр в нашем первом аналоговом эксперименте в 2017 году, это стало прорывным моментом для понимания некоторых сложных явлений, изучение которых может быть затруднённым, если не невозможным. Теперь, с помощью более сложного эксперимента мы подняли эти исследования на новый уровень, что в конечном итоге может привести к предсказанию поведения квантовых полей в искривлённом пространстве-времени вокруг астрофизических черных дыр», — рассказала Силке Вайнфуртнер, руководитель Лаборатории чёрных дыр, где разработан и проведён эксперимент.