Сверхизлучение черных дыр нашли в водоворотах

Столкновение волны с препятствием приводит к рассеянию: отчасти волна проходит мимо, отчасти — отражается. В случае вращающегося препятствия энергия волны теоретически может увеличиться благодаря кинетической энергии вращательного движения. В 1971 году подобный феномен описал советский физик, один из создателей атомной и водородной бомб Яков Зельдович. Согласно его гипотезе, керровская (вращающаяся) черная дыра должна излучать гравитационные волны по аналогии с быстро вращающимся металлическим диском, который спонтанно и вынужденно испускает электромагнитные волны. Предположение Зельдовича легло в основу дискуссии с американским ученым Кипом Торном (Kip S. Thorne).

Дальнейшие расчеты подтвердили концепцию. В 1974 году британский физик Стивен Хокинг (Stephen W. Hawking), после встречи с Яковом Зельдовичем и Алексеем Старобинским, показал, что небольшие черные дыры благодаря туннельному эффекту могут быть способны не только к поглощению, но и к излучению элементарных частиц. Причем конечным этапом такого излучения выступает «испарение». Несмотря на математическое описание, подход, однако, имеет ряд недостатков и оспаривается некоторыми исследователями. В частности, существование излучения Хокинга предусматривают не все квантовые теории гравитации, кроме того, он приводит к проблеме исчезновения информации.

До сих пор ни излучение Хокинга, ни усиление рассеиваемых волн после столкновения с вращающимся препятствием эмпирически не наблюдались. Чтобы восполнить пробел, сотрудники Ноттингемского университета, Федерального университета ABC (UFABC) и других учреждений провели эксперимент с водой. На первом этапе они налили жидкость в прямоугольную емкость, после чего в центре резервуара открыли отверстие и обеспечили приток. Регулируя объем оттока, авторы могли поддерживать постоянный уровень вещества. В результате возникал водоворот, и физики генерировали волны в направлении его центра от одного из краев сосуда. Затем они изучили трехмерную форму рассеиваемых волн.

Анализ показал, что при определенных условиях — высоких скорости вращения и частоте волн — на поверхности наблюдалось усиление энергии волн до 14 процентных пунктов. По словам ученых, механизм явления остается неясным, вероятно, он связан с волнами отрицательной энергии, которые наблюдаются в неравновесных средах. При сравнении таких сред с волной и без оказывается, что полная энергия первых меньше, чем у последних, поскольку, как предполагается, отрицательные волны поглощаются водоворотом. Потенциально вывод может быть распространен на черные дыры: наряду с «глухой дырой» водоворот может рассматриваться как модель аналоговой черной дыры.

Подробности исследования представлены в журнале Nature Physics.

Ранее команда Event Horizon Telescope (EHT) приступила к «проявке» первого снимка черной дыры.