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ブラックホールの研究は、そもそも地球から距離が離れすぎていることや、その性質から巨大な電波望遠鏡などを用いた間接的な方法で多くが行われている。もっと近く、それこそ研究室で仔細に研究できれば、人類の宇宙や世界の成り立ちに関する研究は遥かに進むことが考えられるが、その天体の性質を考えればそれがどれだけ無謀であるかもまた想像に難くない。

だが、今回ノッティンガム大学の研究者らは、超流動ヘリウム中にブラックホールを模倣した巨大な量子渦を初めて作り出す事に成功した。これにより、これに似たブラックホールがどのように振る舞い、周囲と相互作用するかをより詳細に見ることができるようになったことが報告されている

量子竜巻

ノッティンガム大学が率いる研究は、キングス・カレッジ・ロンドン、ニューカッスル大学と共同で、「量子竜巻」という新しい実験プラットフォームを作り上げた。

ヘリウムを絶対零度より数度高い温度まで冷やすと、超流動状態になる。この状態では、液体全体が量子力学的な状態になる。ヘリウムは摩擦を受けずに流れるので、運動エネルギーを失うことがなく、超流動体をかき混ぜると、無限に回転し続ける渦を形成することができる。研究チームは、超流動体表面の微細な波動ダイナミクスの観測を通して、この量子竜巻が回転するブラックホール近傍の重力状態を模倣していることを示した。

研究チームは、-271℃以下の超流動ヘリウムを数リットル収容できる特注の極低温システムを構築した。この温度では、液体ヘリウムは特異な量子特性を持つ。このような性質は、超低温原子ガスや光の量子流体のような他の量子流体では、通常、巨大な渦の形成を妨げるが、このシステムは、超流動ヘリウムの界面がこれらの物体を安定化させる力として働くことを示している。

超流動ヘリウム実験用に作られた特注の極低温システム。 (Credit: Leonardo Solidoro)

「超流動ヘリウムは、量子渦と呼ばれる小さな物体を含んでおり、その量子渦は互いに離れて広がる傾向がある。我々のセットアップでは、小さな竜巻のようなコンパクトな物体に何万もの量子渦を閉じ込めることに成功し、量子流体の領域で記録的な強さの渦流を実現しました」と、論文の主執筆者であるノッティンガム大学数理科学部のPatrik Svancara博士は声明で述べた。

ブラックホールは実験室で水や音波を使ってシミュレートされてきたが、超流動ヘリウムを使うことで、時空とブラックホールをシミュレートするより現実的な方法が示された。

「超流動ヘリウムを使うことで、以前の水中での実験よりも詳細かつ正確に、微小な表面波を研究することができるようになりました。超流動ヘリウムの粘性は極めて小さいので、超流動竜巻との相互作用を綿密に調べ、その結果を我々の理論的予測と比較することができました」とSvancara博士は付け加えた。

研究者たちは、渦の流れとブラックホールが周囲の時空に及ぼす重力の影響との間に興味深い類似点を発見した。この成果は、複雑な曲がった時空の領域における有限温度量子場の理論のシミュレーションに新たな道を開くものである。

この実験が開発されたブラックホール研究所で研究を率いる筆頭著者のSilke Weinfurtner教授は、「2017年に最初のアナログ実験でブラックホール物理の明確な兆候を初めて観測したとき、それは、そうでなければ研究することが不可能ではないにしても、しばしば困難な奇妙な現象のいくつかを理解するための画期的な瞬間でした。そして今、より洗練された実験によって、我々はこの研究を次の段階へと進め、最終的には、天体物理学的なブラックホール周辺の曲がった空間において、量子場がどのように振る舞うかを予測することにつながるかもしれません」と、述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

重力シミュレーター は、音 や表面波のような小さな励起が、曲がった時空形状上を伝搬する場として振る舞う実験室システムである。重力と流体のアナロジーは、液体ヘリウムや冷たい原子雲のような超流体で自然に実現される特徴である、消失粘性を必要とする。このような系は、曲がった時空における場の量子論の重要な予測の検証に成功している。特に、天体物理学的なブラックホールを示す回転する湾曲時空の量子シミュレーションでは、超流動系で広範な渦流12を実現する必要がある。ここでは、多重量子化渦の本質的な不安定性にもかかわらず、定常巨大量子渦が超流動4He中で安定化できることを示す。そのコンパクトなコアは、マグノン、原子雲、ポラリトンのような他の物理系における現在の限界を超えて、何千もの循環量子を運ぶ。われわれは、超流動界面上のマイクロメートルスケールの波と背景の速度場との相互作用を利用することによって、渦流を特徴づける最小侵襲的な方法を紹介する。束縛状態の検出や特徴的なアナログのブラックホールリングダウンシグネチャーを含む複雑な波動-渦相互作用が観測された。これらの結果は、量子から古典への渦遷移を探求し、超流動ヘリウムを回転する曲率空間に対する有限温度場の量子論シミュレーターとして利用する新しい道を開くものである19。

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