Bepaalde verschijnselen die zich voordoen in zwarte gaten maar niet direct kunnen worden waargenomen in astronomisch onderzoek, kunnen worden bestudeerd door middel van een laboratoriumsimulatie. Dit is mogelijk vanwege een eigenaardige analogie tussen processen die kenmerkend zijn voor zwarte gaten en hydrodynamische processen. De gemene deler is de overeenkomst van golfvoortplanting in beide gevallen.

Deze mogelijkheid wordt onderzocht in een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Natuurkundige Maurício Richartz, een professor aan de Federale Universiteit van ABC (UFABC) in Brazilië, is een van de auteurs van het artikel, geproduceerd door de groep van Silke Weinfurtner aan de School of Mathematical Sciences van de University of Nottingham in het Verenigd Koninkrijk. Het onderzoek werd ondersteund door FAPESP via het thematische project "Physics and geometrie of spacetime, " waarvoor Alberto Vazquez Saa de hoofdonderzoeker is.

"Hoewel deze studie volledig theoretisch is, we hebben ook experimentele simulaties uitgevoerd in het laboratorium van Weinfurtner, "Richartz vertelde Agência FAPESP. "Het apparaat bestaat eigenlijk uit een grote watertank van 3 meter bij 1,5 meter. Het water stroomt via een centrale afvoer naar buiten en wordt weer naar binnen gepompt, zodat het systeem een ​​evenwichtspunt bereikt waarin de hoeveelheid instroom gelijk is aan de hoeveelheid uitstroom. Zo simuleren we een zwart gat."

Hij gaf verdere details om uit te leggen hoe dit werd gedaan. "De waterstroom versnelt als het de afvoer nadert. Wanneer we golven produceren op het wateroppervlak, we krijgen twee belangrijke snelheden:de snelheid van golfvoortplanting en de snelheid van de totale waterstroom, " hij zei.

"Ver van de afvoer, golfsnelheid is veel hoger dan vloeistofsnelheid, dus golven kunnen zich in elke richting voortplanten. Bij de afvoer is de situatie anders, echter. De vloeistofsnelheid is veel hoger dan de golfsnelheid, dus de golven worden door de waterstroom naar beneden gesleept, zelfs als ze zich in de tegenovergestelde richting voortplanten. Zo kan in het lab een zwart gat worden gesimuleerd."

In een echt astrofysisch zwart gat, zijn aantrekkingskracht vangt materie op en voorkomt dat golven van welke aard dan ook ontsnappen, inclusief lichtgolven. In het hydrodynamische simulacrum, de golven op het oppervlak van de vloeistof kunnen niet ontsnappen uit de vortex die zich vormt.

In 1981, De Canadese natuurkundige William Unruh ontdekte dat de overeenkomst tussen de twee processen - een zwart gat en een hydrodynamisch simulacrum - meer was dan alleen een analogie. Met een paar vereenvoudigingen, de vergelijkingen die de voortplanting van een golf in de buurt van een zwart gat beschrijven, zijn identiek aan die welke de voortplanting van een golf beschrijven in water dat door een afvoer stroomt.

Dit legitimeert het gebruik van hydrodynamische processen om de verschijnselen die typerend zijn voor zwarte gaten te onderzoeken. In de nieuwe studie Richartz en medewerkers analyseerden het relaxatieproces (ringdown) in een hydrodynamisch simulacrum van een zwart gat dat niet in evenwicht is. rekening houdend met eerder genegeerde factoren. In sommige opzichten, het fenomeen dat ze bestudeerden is vergelijkbaar met het ringdown-proces in een echt astrofysisch zwart gat dat zwaartekrachtsgolven genereert nadat het is gecreëerd door een botsing met twee andere zwarte gaten.

"Een zorgvuldige analyse van het ringdown-spectrum onthult de eigenschappen van het zwarte gat, zoals het impulsmoment en de massa. In meer complexe zwaartekrachtsystemen, het spectrum kan afhankelijk zijn van meer parameters […]", schrijven de auteurs in het artikel gepubliceerd in Physical Review Letters.

Vorticiteit

Vorticiteit wordt over het hoofd gezien door de eenvoudigste modellen, maar wordt in deze studie overwogen. Het is een sleutelconcept in de vloeistofmechanica dat de rotatie van specifieke gebieden van een bewegende vloeistof kwantificeert.

Als de vorticiteit nul is, het gebied begeleidt eenvoudig de beweging van de vloeistof. Echter, als de vorticiteit niet nul is, naast het begeleiden van de stroom, het draait ook rond zijn eigen zwaartepunt.

"In de eenvoudigere modellen, algemeen wordt aangenomen dat de vorticiteit van de vloeistof gelijk is aan nul. Dit is een goede benadering voor gebieden van de vloeistof die zich op een afstand van de vortex bevinden. Voor regio's in de buurt van de afvoer, echter, het is niet zo'n goede benadering omdat in dit geval vorticiteit steeds belangrijker wordt. Dus een van de dingen die we in onze studie deden, was vorticiteit incorporeren, ' zei Richartz.

De onderzoekers wilden begrijpen hoe vorticiteit de golfdemping tijdens voortplanting beïnvloedt. Wanneer een echt zwart gat wordt verstoord, het genereert zwaartekrachtsgolven die met een bepaalde frequentie oscilleren. Hun amplitude neemt in de loop van de tijd exponentieel af. De reeks gedempte resonanties die beschrijft hoe het aangeslagen systeem weer in evenwicht wordt gebracht, wordt technisch gekenmerkt door een spectrum van quasi-normale oscillatiemodi.

"In onze studie we onderzochten hoe vorticiteit quasi-normale modi beïnvloedde in het hydrodynamische zwarte gat-analoog. Onze belangrijkste bevinding was dat sommige trillingen heel langzaam vervielen, of met andere woorden lange tijd actief bleef, en bevonden zich ruimtelijk in de buurt van de afvoer. Deze oscillaties waren niet langer quasi-normale modi, maar een ander patroon dat bekend staat als quasi-gebonden staten, ' zei Richartz.

Een toekomstige ontwikkeling van het onderzoek zal inhouden dat deze quasi-gebonden toestanden experimenteel in het laboratorium worden geproduceerd.