Лазер, вдохновлённый чёрными дырами: экстремальная физика, воссозданная в лаборатории

Исследователи из Университета Бар-Илан успешно воссоздали ключевые аспекты физики чёрных дыр в лабораторных условиях с помощью необычной оптической системы, имитирующей поведение чёрных дыр после мощных космических событий, таких как столкновения или слияния.

Команда построила миниатюрную систему, в которой свет ведёт себя аналогично гравитационным волнам, распространяющимся вокруг чёрной дыры. Эти волны, известные как сигналы затухания, являются теми же сигналами, которые регистрируются гравитационно-волновыми обсерваториями, такими как LIGO.

Исследователи не только наблюдали эти волновые паттерны в своей системе, но и продемонстрировали, что они могут генерировать лазерное излучение. Это открывает новый способ изучения физики чёрных дыр в контролируемой лабораторной среде.

«Эта работа показывает, что явления, которые мы обычно ассоциируем с самыми экстремальными объектами во Вселенной, можно воссоздать и исследовать на лабораторном столе», — сказал профессор Патрик Себба. «Используя свет в тщательно спроектированных структурах, мы можем непосредственно наблюдать и контролировать эффекты, которые в противном случае были бы недоступны для экспериментального изучения».

Для этого команда разработала и изготовила крошечные изогнутые оптические структуры с помощью 3D-печати. Эти структуры были спроектированы так, чтобы воспроизводить геометрию пространства-времени вокруг чёрной дыры.

Затем исследователи изучили, как свет распространяется и излучается внутри этих структур, используя сочетание теоретического анализа, численных симуляций и экспериментальных лазерных измерений. Высокая степень согласованности результатов, полученных с помощью этих подходов, подтверждает достоверность выводов.

Мотивация для проведения исследования связана со сложностью непосредственного изучения динамики чёрных дыр. Чёрные дыры генерируют характерные колебания, известные как квазинормальные моды, которые играют центральную роль в гравитационно-волновой астрономии, но их сложно наблюдать в деталях.

Воссоздав эти эффекты в лабораторных условиях, исследователи сделали их доступными для непосредственного наблюдения и экспериментов.