Физика

Слив воды помог изучить взаимодействие черной дыры с внешним полем

Слив воды помог изучить взаимодействие черной дыры с внешним полем

Andy Rogers / flickr.com

Ученые пронаблюдали взаимодействие аналоговой черной дыры с внешним полем. Моделью дыры послужил вихрь, возникающий при сливе воды из резервуара. Чтобы вызвать изменения в динамике вихря, физики создавали поверхностные волны. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Черные дыры — объекты, которые пока остаются недосягаемыми для прямого изучения. В 1981 году физик Уильям Унру предложил исследовать их с помощью моделей, которые называют аналоговыми моделями гравитации. Аналоговые модели основаны на сходствах между разными системами. В случае черных дыр заменой выступают, например, завихрения в жидкостях. Волны звука и других колебаний вокруг завихрений ведут себя подобно световым и гравитационным волнам вблизи черной дыры. Поняв, по каким законам работает аналоговая модель, можно сделать предположения о свойствах настоящих астрофизических объектов. Именно предположения: мы слишком мало знаем о черных дырах, чтобы утверждать, что водяной вихрь их имитирует правдоподобно.

До сих пор считалось, что у жидкостных моделей есть существенный недостаток. В общей теории относительности взаимодействие между черной дырой и полями вокруг нее происходит через изменение массы и углового момента дыры. В жидкостных аналоговых моделях эффективная масса и угловой момент вращения вихря определяются параметрами эксперимента, поэтому ученые ожидали, что пронаблюдать процесс взаимодействия не получится.

Сэм Патрик (Sam Patrick), Гарри Гудхью (Harry Goodhew), Циско Гудинг (Cisco Gooding) и Силк Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner) из Ноттингемского университета и Кембриджского университета исследовали взаимодействие водяного вихря, возникающего при сливе воды, с поверхностными волнами.

Для создания аналоговой модели они использовали резервуар, в который подавали воду и одновременно сливали. В центре резервуара находилось отверстие радиусом два сантиметра, сквозь которое вода утекала — фактически физики изучали процесс, очень похож на обычный слив в ванной. С черной дырой эту модель объединяет то, что вода, подошедшая слишком близко к сливу, уносится вниз, не имея возможности выбраться. То же самое происходит с объектами, попадающими за горизонт событий.

Как только скорость поступления и высота воды в резервуаре принимали постоянные значения, на поверхности жидкости с помощью поршней начинали создавать волны. Ученые замеряли, насколько после этого изменилась высота воды.

Изменение высоты жидкости, вызванное поверхностными волнами. График А соответствует частоте волн 4 герца. На графике В изображены значения сразу для трех частот: 2, 3 и 4 герца. Видно, что изменение частоты не влияет на наблюдаемый эффект. На графике С изменение высоты отображено в течение более долгого времени, зависимость отклоняется от линейной.

Sam Patrick et al. / Physical Review Letters, 2021

Несмотря на фиксированные параметры эксперимента, изменения в высоте вихря были настолько сильными, что наблюдались даже невооруженным взглядом. Этот эффект имеет простое объяснение: когда волны приближаются к сливу, они выталкивают больше воды в отверстие.

В жидкостной модели впервые удалось пронаблюдать процесс, аналогичный изменению свойств черной дыры в результате взаимодействия с внешним полем. Убывание количества воды в вихре соответствует переходу энергии и углового момента от волн к самой черной дыре. Описанную систему можно использовать для изучения обратной реакции из-за сверхизлучения и излучения Хокинга.

Мы уже писали о том, что физикам удалось увидеть излучение Хокинга от аналоговой черной дыры и измерить его тепловой спектр.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть