У новаторському експерименті дослідники виявили інноваційне застосування надплинного гелію (He II), який традиційно використовується для швидкого охолодження, для імітації ефектів викривленого простору-часу навколо чорних дір.
Чорні діри – це області простору-часу, де гравітаційні сили настільки інтенсивні, що ніщо, навіть світло, не може уникнути їхнього тяжіння. Ці грізні явища зазвичай виникають із залишків зірки, що розпалася. В основі нашої галактики лежить Стрілець А*, надмасивна чорна діра, маса якої в чотири мільйони разів перевищує масу нашого Сонця.
Через те, що вони не випромінюють світла, вивчення чорних дір становить значний виклик. Вчені часто покладаються на спостереження за взаємодією між чорними дірами та сусідньою космічною матерією. Наприклад, проєкт телескопа “Горизонт подій” 2019 року зробив перше в історії зображення чорної діри M87, демонструючи яскравий диск газу і пилу, який вона втягнула в себе. Зовсім недавно в журналі Nature було опубліковано дослідження, в якому детально описано змодельовані ефекти викривлення простору-часу, спричинені гіпотетичною чорною дірою.
Експеримент використовував унікальні властивості надплинного гелію (He II), який проявляє надплинність при температурах нижче -271 градус Цельсія. За таких низьких температур кінематична в’язкість гелію різко падає, що робить його ідеальним кандидатом для моделювання гравітаційних взаємодій без тертя, характерних для чорних дір.
У цій експериментальній установці дослідники використовували пропелер для перемішування надплинного гелію, створюючи квантові вихори всередині рідини – ці вихори діяли як замінники гравітаційних сил, що оточують чорну діру. Зі збільшенням швидкості пропелера, він генерував порожнисте вихрове ядро, що розширювалося, аналогічно горизонту подій чорної діри. Потім команда досліджувала, як ця змодельована чорна діра випаровується, утримуючи вихрове ядро нерухомим і спостерігаючи за поведінкою навколишніх вихрових потоків.
Цікаво, що квантові вихори також створювали поле швидкості всередині надплинного гелію, впливаючи на те, як малі хвилі поширювалися по його поверхні. Було помічено, що лише хвилі вищої частоти – подібно до хвиль з вищою енергією – могли перетинати поверхню гелію.
Дослідники припускають, що, регулюючи швидкість пропелера, змінюючи форму контейнера або динамічно змінюючи параметри потоку, можна досліджувати явища, пов’язані з викривленим простором-часом, що обертається, такі як надвипромінювання і “дзвін” чорних дір, у контрольованому лабораторному середовищі.
Ця революційна симуляція пропонує новий метод вивчення складного викривлення простору-часу, створеного чорними дірами на Землі, оминаючи потребу в телескопах і традиційних методах спостереження, які намагаються пролити світло на ці космічні таємниці.