Wetenschap
Kwantumtornado biedt toegangspoort tot het begrijpen van zwarte gaten
Wetenschappers hebben voor het eerst een gigantische kwantumvortex gecreëerd om een zwart gat in superfluïde helium na te bootsen, waardoor ze in meer detail konden zien hoe analoge zwarte gaten zich gedragen en interageren met hun omgeving.
Onderzoek onder leiding van de Universiteit van Nottingham, in samenwerking met King's College London en Newcastle University, heeft een nieuw experimenteel platform gecreëerd:een kwantumtornado. Ze hebben een gigantische wervelende draaikolk gecreëerd in supervloeibaar helium dat wordt gekoeld tot de laagst mogelijke temperaturen.
Door de minieme golfdynamiek op het oppervlak van de superfluïde te observeren, heeft het onderzoeksteam aangetoond dat deze kwantumtornado's de zwaartekrachtomstandigheden in de buurt van roterende zwarte gaten nabootsen. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature .
Hoofdauteur van het artikel, Dr. Patrik Svancara van de School of Mathematical Sciences van de Universiteit van Nottingham, legt uit:“Het gebruik van superfluïde helium heeft ons in staat gesteld om kleine oppervlaktegolven gedetailleerder en nauwkeuriger te bestuderen dan met onze eerdere experimenten in water. Omdat de viscositeit van supervloeibaar helium extreem klein is, konden we hun interactie met de supervloeibare tornado nauwgezet onderzoeken en de bevindingen vergelijken met onze eigen theoretische projecties."
Het team heeft een op maat gemaakt cryogeen systeem gebouwd dat meerdere liters supervloeibaar helium kan bevatten bij temperaturen lager dan -271 °C. Bij deze temperatuur krijgt vloeibaar helium ongebruikelijke kwantumeigenschappen. Deze eigenschappen belemmeren doorgaans de vorming van gigantische wervelingen in andere kwantumvloeistoffen, zoals ultrakoude atomaire gassen of kwantumvloeistoffen van licht. Dit systeem laat zien hoe het grensvlak van supervloeibaar helium fungeert als een stabiliserende kracht voor deze objecten.
Dr. Svancara vervolgt:"Superfluïde helium bevat kleine objecten die kwantumwervelingen worden genoemd en die de neiging hebben zich uit elkaar te verspreiden. In onze opzet zijn we erin geslaagd om tienduizenden van deze kwanta op te sluiten in een compact object dat lijkt op een kleine tornado. , waardoor een wervelstroom met recordbrekende kracht wordt bereikt op het gebied van kwantumvloeistoffen."
Onderzoekers hebben intrigerende parallellen ontdekt tussen de vortexstroming en de zwaartekrachtsinvloed van zwarte gaten op de omringende ruimtetijd. Deze prestatie opent nieuwe wegen voor simulaties van kwantumveldentheorieën met eindige temperaturen binnen het complexe domein van gekromde ruimtetijden.
Professor Silke Weinfurtner, die leiding geeft aan het werk in het Black Hole Laboratory waar dit experiment werd ontwikkeld, zegt:‘Toen we in 2017 voor het eerst duidelijke kenmerken van de fysica van zwarte gaten waarnamen in ons eerste analoge experiment, was dit een doorbraakmoment voor het begrijpen van enkele van de bizarre verschijnselen die vaak lastig, zo niet onmogelijk, zijn om op een andere manier te bestuderen.
"Nu hebben we met ons meer geavanceerde experiment dit onderzoek naar een hoger niveau getild, wat er uiteindelijk toe zou kunnen leiden dat we kunnen voorspellen hoe kwantumvelden zich gedragen in gekromde ruimtetijden rond astrofysische zwarte gaten."
Het hoogtepunt van dit onderzoek zal worden gevierd en op creatieve wijze worden onderzocht in een ambi-tentoonstelling met de titel "Cosmic Titans" in de Djanogly Gallery, Lakeside Arts, de Universiteit van Nottingham, van 25 januari tot 27 april 2025 (en op tournee naar locaties in het Verenigd Koninkrijk en daarbuiten ).
De tentoonstelling omvat nieuw gemaakte sculpturen, installaties en meeslepende kunstwerken van toonaangevende kunstenaars, waaronder Conrad Shawcross RA, die het resultaat zijn van een reeks innovatieve samenwerkingen tussen kunstenaars en wetenschappers, gefaciliteerd door het ARTlab Nottingham. De tentoonstelling combineert creatief en theoretisch onderzoek naar zwarte gaten en de geboorte van ons universum.