Τι είναι το φαινόμενο που αναπαράχθηκε για πρώτη φορά στο εργαστήριο

Για πρώτη φορά στην ιστορία της Φυσικής, επιστήμονες από το Ηνωμένο Βασίλειο και την Ιταλία κατάφεραν να δημιουργήσουν στο εργαστήριο μια «βόμβα μαύρης τρύπας», ένα θεωρητικό φαινόμενο που είχε προταθεί πριν από πάνω από πέντε δεκαετίες και σχετίζεται με την εκρηκτική ενίσχυση κυμάτων γύρω από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα.

Η ερευνητική ομάδα από τα Πανεπιστήμια του Σαουθάμπτον και της Γλασκόβης, σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Φωτονικής και Νανοτεχνολογίας του Εθνικού Συμβουλίου Έρευνας της Ιταλίας, αναπαρήγαγε επιτυχώς αυτό το θεωρητικό σενάριο σε ελεγχόμενο περιβάλλον, χρησιμοποιώντας μηχανικά και ηλεκτρομαγνητικά μέσα.

Η προέλευση της θεωρίας: Penrose, Zel’dovich και Press-Teukolsky

Η ιδέα της «βόμβας μαύρης τρύπας» βασίζεται σε θεωρίες που ξεκινούν από τη δεκαετία του 1960. Ο Βρετανός Φυσικός και Νομπελίστας Sir Roger Penrose πρότεινε το 1969 τον μηχανισμό της υπερακτινοβολίας (superradiance), μέσω του οποίου μπορεί να εξαχθεί ενέργεια από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα.

Έναν χρόνο αργότερα, ο Λευκορώσος Φυσικός Yakov Zel’dovich εξέλιξε την ιδέα, προτείνοντας ότι οποιοδήποτε περιστρεφόμενο σώμα μπορεί να ενισχύσει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αν κινείται γρηγορότερα από το προσπίπτον κύμα. Το φαινόμενο αυτό έγινε γνωστό ως φαινόμενο Zel’dovich.

Το 1972, οι William Press και Saul Teukolsky πήγαν ένα βήμα παραπέρα, περιγράφοντας θεωρητικά την «βόμβα μαύρης τρύπας»: εάν μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα περικλειστεί από «καθρέφτες» που παγιδεύουν και αντανακλούν τα κύματα υπερακτινοβολίας, αυτά μπορούν να ενισχυθούν εκθετικά, προκαλώντας τελικά αστάθεια σαν μια βόμβα που εκρήγνυται ενεργειακά.

Η πειραματική επιβεβαίωση

Οι ερευνητές βασίστηκαν στο φαινόμενο Zel’dovich για να σχεδιάσουν την πειραματική τους διάταξη. Αντί για μαύρη τρύπα, χρησιμοποίησαν έναν αλουμινένιο κύλινδρο που περιστρεφόταν με τη βοήθεια ηλεκτροκινητήρα. Ο κύλινδρος περιβάλλονταν από τρεις στρώσεις μεταλλικών πηνίων, τα οποία δημιουργούσαν και αντανακλούσαν ένα μαγνητικό πεδίο, λειτουργώντας σαν «καθρέφτες» για τα κύματα.

Όταν ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο κατευθύνθηκε προς τον κύλινδρο, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι το πεδίο που αντανακλούσε ο κύλινδρος ήταν ισχυρότερο από το αρχικό, επιβεβαιώνοντας το φαινόμενο της υπερακτινοβολίας.

Το πιο εντυπωσιακό βήμα ήρθε όταν αφαίρεσαν το αρχικό μαγνητικό πεδίο: το σύστημα παρήγαγε αυθόρμητα δικά του κύματα, τα οποία ενισχύονταν από τον περιστρεφόμενο κύλινδρο, οδηγώντας τα πηνία να αποθηκεύσουν ενέργεια. Η ενίσχυση αυτή, προϊόν της υπερταχείας περιστροφής και της ανατροφοδότησης μέσω του πεδίου, επιβεβαίωσε πλήρως τη θεωρία του Zel’dovich.

«Καταφέραμε όχι μόνο να αποδείξουμε την ενίσχυση, αλλά και τη μετάβαση σε αστάθεια και την αυθόρμητη παραγωγή κυμάτων, κάτι που μέχρι τώρα ήταν μόνο θεωρητικό», δήλωσε η συν-συγγραφέας Maria Chiara Braidotti από το Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης.

Η πειραματική προσπάθεια δεν ήταν ρόδινη. Όπως αποκάλυψε η Marion Cromb από το Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον: «Πιέσαμε τόσο πολύ το σύστημα που κάποια εξαρτήματα του κυκλώματος εξερράγησαν! Ήταν συναρπαστικό, αλλά και τρομερά απαιτητικό».

Τι σημαίνει αυτό για την Αστροφυσική

Αν και οι επιστήμονες δεν δημιούργησαν πραγματική μαύρη τρύπα, η αναλογική αυτή προσομοίωση αποδεικνύει ότι η υπερακτινοβολία και η εκθετική ενίσχυση κυμάτων είναι φαινόμενα καθολικά και όχι αποκλειστικά των μαύρων τρυπών. Η εργαστηριακή επαλήθευση αυτής της ιδέας θα βοηθήσει τους Φυσικούς να κατανοήσουν πώς περιστρέφονται οι μαύρες τρύπες, αλλά και να εμβαθύνουν σε θεμελιώδεις έννοιες αστροφυσικής, θερμοδυναμικής και κβαντικής θεωρίας.

[via]