ユーレカ！ 科学者たちは「こんにちは」とブラックホールの謎を探る

ノッティンガム大学の研究者は、超流動ヘリウムのベルジャー内の小さな渦でブラックホールをシミュレートしています

ノッティンガム大学の何の変哲もない廊下の先には、「ブラック ホール研究所」というシンプルなラベルが貼られたドアがあります。 内部では、実物を支配する物理法則をユニークに垣間見ることができる大きなハイテク浴槽で実験が進行中です。

この研究室は、アナログ重力分野の先駆者であるシルケ・ヴァインフルトナー教授によって運営されており、彼の研究は、地球上の流体システムを記述する数学と、宇宙の最も極端でアクセスできない環境の一部との間の驚くべき類似点を実証しました。

「ブラックホールのことを考えると、怖気づいてしまいがちです。 ブラックホールの周囲で起こると予測されている影響はすべて、とても奇妙で、とても奇妙で、とても異なっているように思えます」と彼女は言う。 「そうすれば、『ちょっと待って、それはうちの浴槽で起こったことよ』と自分に言い聞かせるのに役立ちます。」 結局のところ、それはそれほど奇妙ではないかもしれません。」

以前、ワインフルトナー氏のチームはバスタブのセットアップを使用して、ブラックホールが「蒸発」し、最終的に消滅すると予測されるプロセスであるホーキング放射を調査した。 彼女と同僚は現在、より高度なシミュレータの開発に取り組んでおり、これによりブラック ホールの挙動についてさらに洗練された洞察が得られると考えています。

「これらすべての効果は非常に美しく、根本的に重要です」と彼女は言います。 「たとえば、ブラックホールは蒸発するのでしょうか、それとも永遠にそこに留まるのでしょうか？」

基本的な考え方は、プラグホールを流れる流体の流れは、数学的な意味で、ブラック ホールの極度の重力場による時空自体の湾曲を模倣するというものです。

「物理学は多くの場所で繰り返されます。 これは非常に普遍的な一連の数学モデルです。 そして、数学が同じであれば、物理学も同じであるはずです」とワインフルトナー氏は言う。 「私にとって、類似品は自然からの贈り物です。 同じ物理プロセスを持つシステムのクラス全体が存在します。」

ワインフルトナー氏は、この 2 つの状況の類似点を利用して、重力場と量子場が相互作用するときに何が起こるかを探求できると考えています。 これはおそらく、過去 1 世紀にわたる物理学の中心的な探求でした。 重力理論と量子理論は個別にうまく機能します。そして、大規模なスケールでは重力が優勢である一方、原子スケールでは量子効果が支配するため、これで私たちの周囲の世界を記述するのに十分であることがよくあります。

しかし、宇宙の非常に狭い領域に大量の質量が詰め込まれているブラックホールでは、これらの世界が衝突し、この 2 つを統合する理論的枠組みは存在しません。

「私たちは両方を個別によく理解していますが、これら 2 つの理論を組み合わせるのは非常に難しいことがわかりました」とワインフルトナー氏は言います。 「その目的は、いわゆる湾曲した時空幾何学上で量子物理学がどのように動作するかを理解したいということです。」

新しい設定では、ブラック ホールは、-271℃に冷却された超流動ヘリウムのベル ジャー内の小さな渦によって表現されます。 この温度では、ヘリウムは量子効果を示し始めます。 連続的な範囲の速度で回転できる水とは異なり、ヘリウム渦は特定の固定値でのみ渦巻くことができます。 ヘリウムの表面に広がる波紋は、レーザーと高解像度カメラによってナノメートルの精度で追跡され、ブラック ホールに近づく放射線を表しています。

ヴァインフルトナー教授は、この装置を使って超放射として知られる現象を調査することを計画している。これは、ブラックホールの近くに入ってくる放射線が（事象の地平線を越​​えることなく）ブラックホール上で持っていたより多くのエネルギーで偏向できるという一見逆説的な予測である。このプロセスを通じて、ブラック ホールからエネルギーを抽出することができ、その回転が徐々に遅くなります。

この現象は理論的には予測されていましたが、観測されたことはありません。 そしてワインフルトナー氏によれば、回転するブラックホールが超流動ヘリウムで見られるような量子効果を示す可能性があるという。

このシミュレーターは、LIGO 重力波検出器で検出できるブラック ホールの合体から宇宙全体に送信されるホーキング放射や重力波信号についての予測を行うためにも使用できます。