Professor Jeff Steinhauer. Credit: Techion Institute of Technology

Stephen Hawking ha previsto che un buco nero – un oggetto celeste con una gravità così forte che nulla può sfuggire alla sua presa – si irradia come un normale oggetto caldo (un “corpo nero”, che emette una radiazione costante che dipende solo dalla sua temperatura), come una stella. Come tale, non solo i buchi neri dovrebbero emettere radiazioni, ma questa “radiazione di Hawking” da un buco nero dovrebbe essere costante nel tempo, come la radiazione da un corpo nero. La temperatura della radiazione di Hawking è determinata dalla gravità della superficie. Più forte è la forza di gravità sulla superficie del buco nero, più alta è la temperatura. Anche se la previsione di Hawking ha quasi 50 anni, non è ancora stata misurata in buchi neri reali (celesti) a causa della temperatura molto bassa della radiazione di Hawking prevista, nella scala nano Kelvin o inferiore.

Il gruppo guidato dal professor Jeff Steinhauer del dipartimento di fisica del Technion ha creato un buco nero sonico – un sistema da cui le onde sonore non possono sfuggire, in analogia con i buchi neri reali da cui nemmeno la luce può sfuggire oltre una superficie sferica chiamata orizzonte degli eventi. In un articolo del 4 gennaio 2021 su Nature Physics, il gruppo ha dimostrato che la radiazione di Hawking stazionaria è effettivamente emessa da un buco nero sonico. Hanno misurato 97.000 ripetizioni dell’esperimento, corrispondenti a 124 giorni di misurazione continua, e hanno osservato la radiazione di Hawking spontanea in sei momenti diversi dopo la formazione del buco nero sonico e hanno verificato che la temperatura e la forza della radiazione rimanevano costanti.

Inoltre, hanno seguito l’evoluzione della radiazione di Hawking durante tutta la vita del buco nero sonico e l’hanno confrontata e contrastata con le previsioni per i buchi neri reali. Come previsto, hanno osservato dapprima l’aumento della radiazione di Hawking, che era simile all’aumento previsto durante la formazione di un vero buco nero, seguito dall’emissione spontanea stazionaria prevista.

La fine della radiazione di Hawking costante nel buco nero sonico è stata segnata dalla formazione di un orizzonte interno, una superficie sferica all’interno del buco nero sonico, all’interno della quale le onde sonore non sono più intrappolate. Questo orizzonte interno irradiava verso l’esterno e stimolava un’ulteriore radiazione di Hawking, provocando una rapida crescita della radiazione di Hawking oltre l’emissione spontanea.

I risultati sperimentali del professor Steinhauer sono di grande importanza e interesse“, ha affermato il professor Amos Ori, anche lui del dipartimento di fisica del Technion ed esperto nel campo della relatività generale e dei buchi neri. “Jeff misura la radiazione di Hawking stazionaria emessa da un buco nero sonico, in accordo con la previsione teorica di Hawking. Questo dà un supporto sperimentale molto significativo all’analisi di Hawking, che ottiene l’approvazione sperimentale per la prima volta negli esperimenti di Jeff“.

Allo stesso tempo“, ha aggiunto il Prof. Ori, “il presente esperimento ha anche mostrato che dopo un certo periodo, la radiazione emessa dal sistema comincia a intensificarsi significativamente, probabilmente a causa dello sviluppo della radiazione stimolata in seguito alla formazione dell’orizzonte interno. Questo è un fenomeno che non è più incluso nell’analisi di Hawking, quindi è molto più interessante per me. I fenomeni osservati in questo esperimento sollevano immediatamente la seguente domanda: I buchi neri reali possono anche emettere una forte radiazione stimolata, come ha fatto il buco nero sonico di Jeff nell’esperimento? Per me, questa è una domanda affascinante ed è di importanza critica per la fisica dei buchi neri così come per l’astrofisica e la cosmologia“.

Queste misure rivoluzionarie danno alla comunità scientifica preziose intuizioni sulla natura dei buchi neri, sonici e celesti. “Il nostro nuovo obiettivo a lungo termine“, ha concluso il Prof. Steinhauer, “è quello di vedere cosa succede quando si va oltre le approssimazioni usate da Hawking, in cui la radiazione di Hawking è quantistica, ma lo spaziotempo è classico. In altre parole, prenderemmo in considerazione che il buco nero analogo è composto da atomi puntiformi“.

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