7年かけて作った「人工ブラックホール」でホーキング放射を初観測。ブラックホールが完全にブラックではない証拠になるか

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イスラエルの科学者ジェフ・スタインハウアーが人工的なブラックホールを製作し、その振る舞いからスティーブン・ホーキング博士が1974年に発表した理論「ホーキング放射」に似た現象を観測したと発表しました。

スタインハウアーが作った人工的なブラックホールは本物のブラックホールのように光を含めて何でも吸い込むというものではなく試験用のチューブ内に流体を流し、ある地点でそれを音速以上に加速させることで音響的な事象の地平面を生み出すというもの。本物のブラックホールでは光が逃げられなくなる位置で事象の地平面が発生しますが、この人工ブラックホールでは音が逃げられなくなる位置を事象の地平面とします。ブラックホールは一般に、すべての物質を引き寄せ、光であっても逃さないほどの強力な重力を有するため、宇宙空間にポッカリと真っ黒く何も見えない穴が開いたように見えると思われています。しかし、ホーキング博士は量子効果を考慮するとそこからは熱的な放射がなければならず、事象の地平面(想像図に描かれるブラックホールの縁の部分)から電磁波のようなエネルギーが発せられるため「ブラックホールは完全なブラックではない(何も放出しないわけではない)」としました。

もう少し詳しく説明すれば、真空中には何も存在しない部分から常に一対の粒子が発生しており、それらはすぐに結合してまた消滅するという動作を繰り返していると考えられます。事象の地平面よりブラックホールの中心に近いところでは、粒子が発生してもブラックホールに引き寄せられるだけで終わってしまいます。ところが、事象の地平面では片方の粒子のみがブラックホールに落ち、もう片方が外へ逃げる可能性が考えられます。するとこの逃げた粒子が、外界からはブラックホールが放出したエネルギー、つまりホーキング放射として観測できることになります。

一方、ブラックホールに落ちた方の粒子は、相棒を失ってエネルギー的にマイナスとなっているため、ブラックホール全体からエネルギーを吸収します。ホーキング博士は、この現象が長期間繰り返されることで最終的にブラックホールは蒸発するように消えるだろうとしました。

スタインハウアーは実験のために、「人工ブラックホール」を7年かけて製作しました。人工ブラックホールではガスを絶対零度近くまで冷却して得られる、ボース・アインシュタイン凝縮と呼ばれる状態のガスをチューブ内に流し、ある位置でそれをレーザーを使って音速以上に加速させることで音響的な事象の地平面を生み出します。

 

 

そしてこの音響的な事象の地平面に一対のフォノン(音子、音響量子、音量子)を発生させ、フォノンの片方がブラックホールから放射されるように移動し、一方のフォノンがブラックホールにとらわれるホーキング輻射と同様の現象が発生するのを確認したとのこと。スタインハウアーは特に高エネルギーのフォノンのペアが量子的なもつれの状態を示すこともわかったとしており、これはホーキング放射の重要な証拠となる特徴だとしています。

この実験結果を聞いた学者の一部には、フォノンのもつれ状態が低エネルギー状態で観測していないことを理由に不完全な結果だとする向きもあるものの、他方ではホーキング放射を擬似的に再現したのはこれが初のことであり、実験結果に欠陥がないと確かめられれば、ヒッグス粒子の発見と同じぐらい大変な出来事だとする声もあります。

もしかするとこの実験を発端として、ホーキング博士がノーベル賞を受賞するというストーリーもありえるかもしれません。

論文はNature Physics 「Observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole : Jeff Steinhauer」