Чёрные дыры из света и вихрей экспресс
Чёрные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть их окрестности. Но изучать их напрямую очень трудно: ближайшая чёрная дыра находится за тысячи световых лет, а слияния двух чёрных дыр длятся миллионы лет. Поэтому физики ищут способы воспроизвести поведение чёрных дыр в лаборатории — с помощью так называемых аналоговых систем.
Один из самых удачных аналогов — поляритонный конденсат. Это особое состояние вещества, которое возникает при очень низких температурах, когда частицы света (фотоны) и частицы вещества (экситоны) объединяются в новые частицы — поляритоны. Поляритонный конденсат ведёт себя как сверхтекучая жидкость: он может течь без трения. А если в нём закрутить вихрь, то вокруг вихря возникает течение, которое затягивает всё внутрь, как вода в слив ванны. И точно так же, как из чёрной дыры, из такого вихря не может вырваться наружу ничего — даже свет. Поэтому вихрь в поляритонном конденсате называют аналоговой чёрной дырой.
Авторы новой работы задались вопросом: могут ли два или несколько таких вихрей слиться в один, как настоящие чёрные дыры при столкновении? Оказалось, что два вихря не могут образовать общий горизонт — они всегда остаются разделёнными. А вот четыре и более вихрей могут полностью слиться, и тогда возникает общий горизонт, радиус которого определяется простым геометрическим законом: он равен среднему геометрическому радиусов исходных вихрей. Это значит, что, наблюдая за вихрями в лаборатории, можно изучать, как сливаются чёрные дыры в космосе — но в ускоренном темпе и под полным контролем.
Такие эксперименты помогают лучше понять не только чёрные дыры, но и саму природу пространства и времени. Ведь если аналоговая система ведёт себя так же, как настоящая чёрная дыра, значит, некоторые свойства чёрных дыр могут быть универсальными и не зависеть от конкретной физической реализации. И тогда, возможно, ключ к разгадке тайн гравитации лежит не в далёком космосе, а в холодной лабораторной установке с лазерами и зеркалами.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.01664
Analogue studies represent an important tool in modern Physics. In particular, analogue gravity had a strong success in the recent years with the demonstrations of Hawking radiation and superradiance of analogue black holes in classical and quantum fluids. So far, the metric of the analogue black holes was mostly fixed by the conditions of the experiment, preventing the simulation of any significant evolution of their properties, such as the change of their mass, their spatial motion, gravitation attraction to other bodies, and, ultimately, black hole mergers. Polariton condensates represent a perfect setting for the analogue simulation of black hole evolution and mergers because of the velocity-dependent losses creating a convergent flow associated with each quantum vortex, which thus becomes an analogue black hole capable of spatial motion. We show that while two vortices are unable to form a common horizon, four or more vortices can exhibit a complete black hole merger, with the radius of the common horizon given by a simple geometrical law. We also discuss the difference between the horizon and the apparent horizon in these analogue black holes with quantized constituents.
Поляритонный конденсат существует при температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (−273 °C). При такой температуре атомы почти перестают двигаться, и квантовые эффекты становятся видны невооружённым глазом.
Идея аналоговых чёрных дыр напоминает сюжет фильма «Интерстеллар», где герои используют чёрную дыру для путешествий во времени, но в реальности такие эксперименты помогают проверить теории, не покидая Землю.