טורנדו קוונטי פותח מסתורין של חורים שחורים

צוות של מדענים חיקה בהצלחה חור שחור תנאים על ידי יצירת מערבולת קוונטית בהליום סופר נוזלי, שופכת אור על אינטראקציות כבידה ותיאוריות שדות קוונטיים בזמני מרחב מעוקלים.

מדענים יצרו לראשונה מערבולת קוונטית ענקית כדי לחקות חור שחור בהליום סופר-נוזל שאיפשר להם לראות בפירוט רב יותר כיצד חורים שחורים אנלוגיים מתנהגים ומקיימים אינטראקציה עם סביבתם.

מחקר בהובלת ה אוניברסיטת נוטינגהאם, בשיתוף פעולה עם קינגס קולג' בלונדון ואוניברסיטת ניוקאסל, יצרו פלטפורמת ניסוי חדשנית: טורנדו קוונטי. הם יצרו מערבולת ענקית מסתחררת בתוך הליום סופר נוזלי שצונן לטמפרטורות הנמוכות ביותר האפשריות. באמצעות תצפית על דינמיקת גלים זעירים על פני הנוזל העל, צוות המחקר הראה שטורנדו קוונטיים אלה מחקים תנאי כבידה ליד חורים שחורים מסתובבים. המחקר פורסם היום ב טֶבַע.

התקנה ניסיוני פורצת דרך

המחבר הראשי של המאמר, ד"ר פטריק סוואנקרה מבית הספר למדעי המתמטיקה באוניברסיטת נוטינגהאם מסביר: "השימוש בהליום סופר-נוזל איפשר לנו לחקור גלי שטח זעירים בפירוט רב יותר. דיוק מאשר בניסויים הקודמים שלנו במים. מכיוון שהצמיגות של הליום הנוזל העל קטן ביותר, הצלחנו לחקור בקפדנות את האינטראקציה שלהם עם הטורנדו הנוזל העל ולהשוות את הממצאים עם התחזיות התיאורטיות שלנו".

הצוות בנה מערכת קריוגנית בהתאמה אישית המסוגלת להכיל מספר ליטרים של הליום על נוזל בטמפרטורות נמוכות מ-271 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו הליום נוזלי רוכש תכונות קוונטיות יוצאות דופן. תכונות אלו בדרך כלל מעכבות היווצרות של מערבולות ענק בנוזלים קוונטיים אחרים כמו גזים אטומיים קרים במיוחד או נוזלים קוונטיים של אור, מערכת זו מדגימה כיצד הממשק של הליום על נוזלי פועל ככוח מייצב עבור עצמים אלה.

ד"ר סוואנקרה ממשיך: "הליום על נוזלי מכיל עצמים זעירים הנקראים מערבולות קוונטיות, הנוטים להתפשט זה מזה. במערך שלנו, הצלחנו לתחום עשרות אלפי מהקוואנטות הללו באובייקט קומפקטי הדומה לטורנדו קטן, ולהשיג זרימת מערבולת עם כוח שיא בתחום הנוזלים הקוונטיים".

תובנות בפיסיקה של חור שחור

חוקרים חשפו הקבלות מסקרנות בין זרימת המערבולת להשפעת הכבידה של חורים שחורים על המרחב-זמן שמסביב. הישג זה פותח אפיקים חדשים להדמיות של תיאוריות שדות קוונטיים בטמפרטורה סופית בתחום המורכב של זמני מרחב מעוקלים.

פרופסור סילק ויינפורטנר, המובילה את העבודה במעבדת החור השחור שבה פותח הניסוי הזה, מדגישה את המשמעות של עבודה זו: "כשצפינו לראשונה בחתימות ברורות של פיזיקת החורים השחורים בניסוי האנלוגי הראשוני שלנו בשנת 2017, זה היה רגע פריצת דרך על הבנת כמה מהתופעות המוזרות שלעתים קרובות מאתגר, אם לא בלתי אפשרי, ללמוד אחרת. כעת, עם הניסוי המתוחכם יותר שלנו, לקחנו את המחקר הזה לשלב הבא, מה שיכול בסופו של דבר להוביל אותנו לחזות כיצד שדות קוונטיים מתנהגים בזמני חלל מעוקלים סביב חורים שחורים אסטרופיזיים."

מחקר פורץ דרך זה ממומן על ידי מענק של 5 מיליון ליש"ט מהמועצה למתקנים טכנולוגיים למדע, המופץ בין צוותים בשבעה מוסדות מובילים בבריטניה, כולל אוניברסיטת נוטינגהאם, אוניברסיטת ניוקאסל וקינגס קולג' בלונדון. הפרויקט נתמך גם על ידי מענק רשת UKRI על סימולטורים קוונטיים לפיזיקה בסיסית והן מלגת מנהיגי המחקר של Leverhulme של פרופסור Silke Weinfurtner.

שיאו של מחקר זה יחגוג ויחקור בצורה יצירתית בתערוכת אמבי שכותרתה טיטאנים קוסמיים ב-Djanogly Gallery, Lakeside Arts, The University of Nottingham, מ-25 בינואר עד 27 באפריל 2025 (וסיורים למקומות בבריטניה ומחוצה לה). התערוכה תכלול פסלים, מיצבים ועבודות אמנות סוחפות שהוזמנו לאחרונה של אמנים מובילים, כולל Conrad Shawcross RA, הנובעות מסדרה של שיתופי פעולה חדשניים בין אמנים ומדענים בהנחיית ARTlab Nottingham. התערוכה תתחתן עם חקירות יצירתיות ותיאורטיות על חורים שחורים והולדת היקום שלנו.