ניסוי של מדען מהטכניון בחור שחור מלאכותי, הבולע גלי קול, מאשש את התיאוריה שהגה הפיזיקאי סטיבן הוקינג לפני יותר מ-40 שנה

חוקר מהטכניון טוען שהוא מדד לראשונה עדויות לקיומה של קרינת הוקינג בחור שחור מלאכותי. בניסוי שעשה פרופ' ג'ף סטיינהאואר מהטכניון, נמדדו גלי קול שנוצרים בקצהו של חור שחור אקוסטי ומתרחקים ממנו. את קיומה של קרינה כזו, הנפלטת מחור שחור, הציע לראשונה סטיבן הוקינג בשנות ה-70, והיא תוצאה של שילוב בין תורת היחסות הכללית לתורת הקוונטים.

חורים שחורים הם גופים צפופים וכבדים הנמצאים בחלל והכבידה שלהם חזקה עד כדי כך שאפילו אור אינו יכול לצאת. אור שנמצא מספיק רחוק יוכל לברוח משדה הכבידה ולהתפזר בחלל, אך אור שחולף קרוב מדי לחור שחור ייכלא בתוכו לנצח. קו הגבול בין שתי התוצאות האפשריות נקרא אופק אירועים.

אפשר לראות דבר דומה במפל מים. הרחק מהמפל הזרימה בנהר אטית יחסית, ואדם ששוחה נגד כיוון הזרם יוכל להתגבר על מהירות הזרימה ולהתרחק מהמפל. קרוב למפל מהירות הזרם גבוהה והשחיין לא יוכל להתגבר עליה וייסחף למפל גם אם יאמץ את כל כוחותיו. הנקודה שממנה השחיין לא יוכל לחזור אחורה היא אופק האירועים של המפל. האנלוגיה של הנהר והמפל לחור שחור מדויקת מבחינה מתמטית ולכן אפשר ללמוד באמצעותה על הפיזיקה של חורים שחורים.

ב-1974 שיער הוקינג שלפי תורת הקוונטים חור שחור איננו שחור לגמרי , אלא פולט קרינה. הוקינג שילב בין תורת הקוונטים לתורת היחסות הכללית והסתכל במיוחד על מה שקורה קרוב מאוד לאופק האירועים של חור שחור. לפי עקרון אי-הוודאות, אי אפשר לדעת בדיוק מוחלט את רמת האנרגיה בכל מקום, לכן גם במקום ריק לחלוטין (ואקום) יהיו תמיד תנודות קוונטיות של אנרגיה, כמו "אנרגיית רקע".

מהאנרגיה הזאת נוצרים ונהרסים כל הזמן זוגות של חלקיקים ואנטי-חלקיקים, הזוגות קיימים לזמן קצר מאוד ונקראים חלקיקים וירטואליים. אם זוג כזה נוצר ליד אופק האירועים של חור שחור, אחד החלקיקים יכול לעבור את אופק האירועים וליפול לחור השחור והאחר יתרחק ממנו. החלקיקים המתרחקים הם הקרינה שמכונה כיום "קרינת הוקינג". על פי תכונות הקרינה שחישב הוקינג, היא מתאימה לטמפרטורה של חור שחור, כפי ששיער הפיזיקאי הישראלי יעקב בקנשטיין כמה שנים לפני כן. עם זאת, קרינת הוקינג לא נצפתה בחורים שחורים בחלל, ולפי החישובים היא חלשה מאוד יחסית לרעשי הרקע במדידות אסטרונומיות.

קולות של קרינה

בניסוי בטכניון הנהר הוא ענן של אטומים קרים מאוד הנמצאים בתא ואקום. על האטומים מפעילים כוח והם מתחילים להאיץ. החל מנקודה מסוימת בענן מהירותם תהיה גדולה מהמהירות של גלי קול בענן ולכן מנקודה זאת והלאה גלי הקול לא יוכלו לחזור אחורה. לכן זהו אופק אירועים עבור גלי הקול בענן האטומים הקרים, ומעבר לאופק האירועים יש חור שחור אקוסטי מלאכותי.

האטומים בענן הם במצב קוונטי ייחודי הנקרא התעבות בוז-איינשטיין, במצב הזה כל האטומים נמצאים ברמת היסוד של המערכת (הרמה בעלת האנרגיה הנמוכה ביותר), אך גם כאן האנרגיה אינה ידועה בדיוק מוחלט ויש תנודות קוונטיות של אנרגיה במערכת. התנודות האלה יוצרות גלי קול שנעים בענן האטומים, והן מופיעות בכל מקום בענן, וגם ליד אופק האירועים.

צילום ענן האטומים במצלמה רגישה מאפשר למדוד את גלי הקול, ואכן סטיינהאואר ראה שגלי קול נוצרים סמוך לאופק האירועים ומתקדמים בכיוונים הפוכים. גל אחד עובר את אופק האירועים ונכנס לאזור החור השחור האקוסטי, והאחר מתרחק ממנו. זו מדידה רגישה מאוד משום שכל רעש רקע במערכת יכול להתבטא גם הוא בגלי קול בענן האטומים. במדידת התכונות של גלי הקול היוצאים מאופק האירועים הראה סטיינהאואר שהם מקיימים את תכונותיה של קרינת הוקינג.

הניסוי בטכניון הוא פריצת דרך בניסיונות למדוד קרינת הוקינג ובפיזיקה של חורים שחורים מלאכותיים, במקרה הזה – בגלי קול. קבוצות מחקר אחרות מנסות ליצור חורים שחורים מלאכותיים באמצעות סיבים אופטיים ולייזרים רבי עוצמה. ארבעים שנה ויותר אחרי שנהגו, הרעיונות של הוקינג ובקנשטיין ממשיכים להוביל למחקרים מדעיים חדשים ומעניינים.

2 תגובות

  • אנונימי

    לא הבנתי את הדמיון בין המקרים

    בכתבה מציינים גלי קול שנוצרו מחוץ ל"אופק הארועים", לכן זה שהם נעים מחוץ ל"חור השחור" לא אומר כלום, השאלה היא האם הפרעה שנוצרה בתוך "החור השחור" יכולה לצאת החוצה, וזה למרבה הצער לא מופיע בכתבה.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןחגי אדרי

    תשובה

    שלום, הפרעה שנוצרת בתוך "החור השחור" לא יכולה לצאת החוצה.
    קרינת הוקינג היא קרינה שנוצרת בקרבת אופק האירועים, זוהי קרינה מאוד ייחודית שנוצרת רק במקום זה בגלל המצאות החור השחור. הקרינה מעולם לא נצפתה\נמדדה קודם ובחורים שחורים אסטרונומיים יש לה השלכות נוספות הקשורות לתורת המידע. זהו בהחלט הישג משמעותי.