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実験室でつくられた「光る」ブラックホールで、宇宙への理解が広がる

新しいタイプのブラックホール・アナログは、実際のブラックホールから理論的に放出される、とらえどころのない放射線について、我々に様々な事を教えてくれるかもしれない。

物理学者の研究チームは、ブラックホールの事象の地平線を模擬するために原子の連なりを使って、ホーキング放射と呼ばれるものに相当するものを観測した。

ブラックホールは宇宙で最も極端な天体で、わずかな空間に大量の質量を詰め込んでいるため、近づけば光さえもその重力から逃れることはできない。

ブラックホールを理解することは、宇宙を支配する最も基本的な法則を解き明かす鍵となる。なぜなら、ブラックホールは、物理学の最もよく検証された2つの理論の限界を示しているからだ。一般相対性理論は、巨大な物体による時空の歪みの結果としての重力を記述し、量子力学は、最小のスケールでの物理学を記述している。

ブラックホールを完全に記述するためには、この2つの理論を統合して、量子重力理論を完成させる必要がある。

放射状に広がるブラックホール

事象の地平面とは、ブラックホールを取り囲む無形の境界線であり、これを超えると出口がなくなるというもので、そのためには、ブラックホールに飲み込まれるものではなく脱出するものを見る必要がある。

しかし、スティーブン・ホーキング博士は、それぞれのブラックホールが、その地平面周辺の小さな量子ゆらぎによって、少量の熱放射を発しているはずであることを発見した。

残念ながら、この放射線が直接検出されたことはない。それぞれのブラックホールからのホーキング放射の量は、他のすべての宇宙天体からの放射の中で(現在の技術では)検出できないほど小さいと考えられている。

しかし、ホーキング放射が出現するメカニズムを、この地球上で研究することはできないのだろうか?アムステルダム大学とIFWドレスデンの研究者たちは、このことを調査することにした。そして、それを達成したのだ。

合成ブラックホール

論文の筆頭著者のLotte Mertens(ロッテ・メルテンス)教授は、「私たちは、物性物理学の強力なツールを使って、ブラックホールという驚くべき天体の手の届かない物理を検証したかったのです」と語っている。

そこで研究者らは、電子がある原子部位から次の原子部位へ「ジャンプ」できる、一次元の原子の鎖に基づくモデルを研究した。

そして、電子が各サイト間をジャンプしやすいように調整することで、ブラックホールの存在による時空のゆがみを模倣できることを発見したのだ。

さらに、弦に沿ったホッピング確率を適切に変化させると、弦の一方の端からもう一方の端まで移動する電子が、ブラックホールの地平線に近づく物質のように正確に振る舞うことも発見された。

そして最後に、ホーキング放射と同様に、合成地平線の存在下でモデル系が測定可能な熱励起を起こすことを観測した。

類推による学習

このモデル系には実際の重力がないにもかかわらず、この合成地平線を考察することで、ブラックホールの物理について重要な情報を得ることができるのだ。

この点では、いくつかの問題が目立つ。例えば、シミュレーションのホーキング放射は熱的で、システムが一定の温度を持っているように見えるが、実際のホーキング放射もある状況下では純粋に熱的である可能性も否定できず、現実のブラックホールと合成ブラックホールの間に重要なパラレルが描かれているのだ。

また、人工ブラックホールによって、ホーキング放射の出現には時空のゆがみの変化、あるいは放射を見る観測者の時空のゆがみに対する認識の変化が必要であることが明らかになった。

最後に、ホーキング放射は、合成地平線の向こう側に弦の一部が存在することを必要とすることを示唆している。つまり、熱放射の存在は、地平線の両側にある物体間の量子もつれという量子力学的な性質と密接に関係しているのだ。

興味深いアプリケーション

この合成ブラックホールモデルは単純であるため、さまざまな実験装置で実施することが可能であると研究者は述べている。

これには、調整可能な電子システム、スピン鎖、超低温原子、光学実験などが含まれる。

ブラックホールを研究室に持ち込むことで、重力と量子力学の相互作用の理解に一歩近づくことができ、量子重力の理論に近づくことができると、研究者たちは結論づけている。


論文

参考文献

研究の要旨

量子物質モデルにおける合成水平は、現代の重力理論の基本的な問題を探求するための別のルートを提供する。ここでは、これらの概念を地平線の存在下での熱的量子状態の出現の問題に適用し、重力環境とその凝縮系物質における地平線の瞬間的生成による基底状態の熱化について研究する。一次元格子モデルにおいて、位置依存のホッピング振幅が突然クエンチすることにより、人工的な地平線の形成に伴う熱状態の出現を確立した。その結果、長い鎖の温度は、クエンチ後のハミルトニアンがクエンチ前の系のもつれハミルトニアンと一致すれば、対応するUnruh温度と同一になることが示された。放射の詳細な解析に基づいて、人工水平線が純粋な熱源として振る舞うために必要な条件を定式化し、この量子力学的側面と重力的側面の相互作用を実験的に調べる道を開く。

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