Jättestor kvanttromb beter sig som ett svart hål i miniatyr – Physics World

En ny experimentell plattform känd som en gigantisk kvantvirvel efterliknar vissa beteenden hos svarta hål, vilket ger forskare en möjlighet att observera fysiken hos dessa astrofysiska strukturer på nära håll. Virveln uppträder i superfluid helium kylt till nästan absoluta nolltemperaturer, och enligt teamet som gjorde den kan studier av dess dynamik ge tips om hur kosmologiska svarta hål producerar deras karakteristiska roterande krökta rumstider.

Svarta hål utövar enorma gravitationskrafter på sin omgivning och kröker rymdtidens väv i en utsträckning som saknar motstycke bland andra strukturer vi observerar i universum. Dessa krafter är så stora att de drar rymdtidens väv runt sig när det svarta hålet roterar, vilket skapar unika turbulenta miljöer.

Sådana dramatiska effekter kan uppenbarligen inte studeras i laboratoriet, så forskare undersöker sätt att göra strukturer som efterliknar dem. Till exempel, tyngdkraften och vätskedynamik beter sig något liknande om vätskans viskositet är extremt låg, vilket är fallet för flytande helium (en supervätska, vilket betyder att den flyter med liten eller ingen friktion) och moln av kalla atomer.

Vortexflöden skapade i en köksmixer

Vid nära nolltemperaturer (mindre än -271 °C) innehåller flytande helium små virvlande strukturer som kallas kvantvirvlar. Normalt håller dessa virvlar isär, förklarar Patrik Svancara, fysiker vid University of Nottingham, STORBRITANNIEN. I den senaste studien säger dock Svancara, co-team leader Silke Weinfurtner, och kollegor på King's College London och Newcastle University lyckades begränsa tiotusentals av dessa kvantor i ett kompakt föremål som liknar en tromb.

"Den centrala delen av vår uppställning är en snurrande propeller som skapar en kontinuerlig cirkulerande slinga av superfluid helium, som stabiliserar virveln som bildas ovanför den", förklarar Weinfurtner och Svancara. Det här upplägget, tillägger de, var inspirerat av forskare i Japan, som likaså producerade gigantiska virvelflöden i en anordning som liknar en köksmixer, snarare än genom att placera hela experimentapparaten på en roterande plattform.

Från vanliga vätskor till supervätskor

Forskarna började sina experiment med roterande vätskor tillbaka 2017, när de observerade svarta håls efterliknande vågdynamik i ett specialdesignat "badkar" som innehöll nästan 2000 liter vatten. "Detta var ett genombrottsögonblick för att förstå några av de bisarra fenomen som ofta är utmanande, om inte omöjligt, att studera på annat sätt", säger Weinfurtner, fysiker vid Nottingham's Laboratoriet för svarta hål, där experimentet skapades och utvecklades. "Nu, med vårt mer sofistikerade experiment, har vi tagit den här forskningen till nästa nivå, vilket så småningom kan leda oss att förutsäga hur kvantfält beter sig i krökta rumstider runt astrofysiska svarta hål."

Att övergå från klassiska vätskor som vatten till kvantvätskor som superfluid helium var avgörande, förklarar Weinfurtner, eftersom superfluidens viskositet är mycket mindre. Superfluids uppvisar också unika kvantmekaniska egenskaper som kvantisering av virvelstyrka, vilket betyder att varje virvel i superfluid helium måste bestå av elementära kvanta som kallas kvantvirvlar. "Att sätta upp stora virvlar som vår är utmanande eftersom individuella kvantor tenderar att flytta sig från varandra, som Patrik nämnde," säger Weinfurtner Fysikvärlden, "men vi kunde stabilisera virvelflöden som rymmer tiotusentals kvanta i en kompakt region, [vilket] är ett rekordstort värde inom kvantvätskors område."

Den nya strukturen kommer att hjälpa forskare att simulera kvantfältsdynamik inom komplexa roterande krökta rumtider, som svarta hål, och erbjuda ett alternativ till de tvådimensionella ultrakalla system som konventionellt har använts i sådana studier hittills, tillägger hon.

"Att utnyttja avancerade flödeskontrolltekniker och högupplösta detekteringsmetoder för att detektera vågdynamiken på superfluidens yta har gjort det möjligt för oss att extrahera makroskopiska flödesstrukturer och visualisera invecklade våg-virvelinteraktioner", säger hon. "Dessa observationer har avslöjat närvaron av mikroskopiska bundna tillstånd och fenomen av svarthålsliknande ringsignal på den fria ytan av en gigantisk kvantvirvel, som vi för närvarande undersöker vidare."

Forskarna planerar nu att förbättra noggrannheten i sin detektionsmetod och utforska regimer där kvantiseringen av virvelstyrkan blir viktig. "Denna funktion kan påverka hur svarta hål interagerar med sin omgivning, vilket potentiellt kan lära oss om de svarta hålens fysik", säger Svancara.

Det aktuella arbetet är detaljerat i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/