Сверхтекучий гелий (He II), который использовался в новом эксперименте, часто применяется для оперативного охлаждения различных объектов. Тем не менее, исследователи обнаружили для него иное применение: симуляция искривленного пространства-времени, возникающего под воздействием черной дыры.
Черные дыры представляют собой зоны пространства-времени, где гравитация обладает такой интенсивностью, что ничто, даже фотоны, не способно преодолеть ее притяжение. Образование таких объектов происходит вследствие мощного сжатия звезды в конце ее жизненного цикла. В центральной части Млечного Пути расположена черная дыра под названием Стрелец А*, масса которой превосходит массу Солнца в четыре миллиона раз.
Поскольку эти объекты огромных размеров не испускают свет, ученые-астрофизики исследуют черные дыры, наблюдая за их воздействием на другие космические тела. Например, в 2019 году «Телескоп горизонта событий» смог сфотографировать силуэт черной дыры M87, то есть раскаленный диск из газа и пыли, который притянула М87. Недавно астрофизики опубликовали исследование в журнале Nature, в котором было изложено описание деформации пространства-времени, вызванной предположительной черной дырой.
Астрофизики разработали компьютерную модель деформации пространства-времени, применяя систему, осуществляющую вращение сверхтекучий гелий (He II), для изучения поведения и взаимодействия черных дыр со средой. Сверхтекучесть гелия возникает при температуре, равной или ниже 271 градуса Цельсия. Кинематическая вязкость гелия при такой температуре уменьшается в сотню раз относительно показателя для воды, что позволило авторам исследования провести параллель между гравитацией (взаимодействием, не сопровождающимся «трением») и He II.
Для проведения эксперимента ученые использовали специальную установку, в которой пропеллер создавал вращение охлажденного He II в определенной области. В процессе вращения в сверхтекучем гелии формировались квантовые вихри (замкнутые контуры потока), которые воспроизводили гравитационные условия, возникающие вблизи черной дыры. По мере увеличения скорости вращения пропеллера формировалось расширяющееся полое вихревое ядро. Астрофизики изучали процесс испарения созданного ими экспериментального аналога черной дыры, поддерживая вихревое ядро за пределами экспериментальной зоны и фиксируя при этом характеристики вихревых потоков.
Авторы исследования также обратили внимание на то, что квантовые вихри формируют в сверхтекучем гелии поле скоростей, которое оказывает влияние на распространение малых волн на его поверхности. Только волны с высокой частотой, сопоставимой с высокой энергией, способны распространяться по поверхности гелия.
«Основные процессы, происходящие в искривленном пространстве-времени, которое находится в вращении, такие как сверхизлучение (по мнению ученых, изучение эффекта усиления сигнала, отраженного от вращающейся черной дыры, и так называемого «звона» черных дыр возможно в существующей системе с незначительными изменениями скорости вращения пропеллера, конструкции контейнера или путем динамического изменения параметров потока.
Новая симуляция позволит исследовать деформации пространства-времени, вызванные черными дырами, в лабораторных условиях, без необходимости использования телескопов и другого оборудования, которое, как было отмечено ранее, зачастую оказывается малоэффективным при изучении подобных объектов.