Evaporação Experimental de Buracos Negros Acústicos

O físico que há 35 anos propôs a construção de "buracos acústicos" para procurar o análogo da radiação Hawking está impressionado com a experiência recente na qual observou a radiação térmica emaranhada a partir de um horizonte de mesa.

Em 1974, Stephen Hawking argumentou que os buracos negros não são negros. Devido a uma instabilidade quântica ainda mal compreendida perto do horizonte, ele calculou que um buraco negro continuamente emite radiação com um espectro térmico. A temperatura é inversamente proporcional à massa do buraco negro (cerca de 10 -7 K para um buraco negro de massa solares).

Vai demorar um pouco para que a ideia de Hawking seja testada em buracos negros astrofísicos. Mas, em um artigo de 1981, William Unruh, um físico teórico da Universidade de British Columbia, em Vancouver, Canadá, suregiu que os análogos para o horizonte e para o processo de Hawking poderia existir para outras ondas. O Fluxo irrotacional de um fluido, de tal modo que existe uma superfície em que a velocidade do fluido é igual à do som, agiria como um análogo horizonte (sonoro). O argumento de Hawking poderia prever que um buraco negro analógico também emitiria radiação térmica quântica no horizonte. Tais buracos acústicos ou mudos (na ausência de um termo melhor) poderiam, assim, serem um teste das hipóteses que entraram nos cálculos de buracos negros de Hawking.

Desde então, muitos outros sistemas com horizontes foram mostrados, teoricamente, para exibir emissão térmica. Mas ao longo dos últimos anos, os cientistas também realizaram experimentos de temperatura de horizontes. Em 2011, Silke Weinfurtner e seus colegas da Universidade de British Columbia mediram as ondas de superfície em água corrente perto de um horizonte. Usando experimentos de emissão estimulada, que mostrou, através de relação de Einstein entre emissão estimulada e espontânea, que a emissão quântica espontânea a partir desse horizonte seria térmica. O trabalho mais recente e mais impressionante vem de Jeff Steinhauer no Instituto Technion-Israel de Tecnologia, cujo artigo de 15 de agosto relatou a detecção da emissão espontânea do análogo sonoro da radiação Hawking e do entrelaçamento quântico em um condensado de Bose-Einstein (CBE). Embora a afirmação de Steinhauer precise ser verificada, seu horizonte de buraco acústico poderia ser a primeira evidência experimental direta que horizontes têm uma temperatura induzida pela quântica.

Luis Garay e colaboradores demonstraram que um BEC tem muitas vantagens para a criação de furos mudos. Não só ela pode ser arrefecida a cerca de 10 -12 K, mas a equação de movimento do CBE, a equação Gross-Pitaevskii dependente do tempo, pode ser escrita como um par de equações de fluido que são quase idênticas ao do artigo de Unruh de 1981. A única diferença é que a equação de CBE contém um período adicional de "pressão quântica", que altera a velocidade do som em comprimentos de onda mais curtos do que um determinado comprimento escalar chamada cura. Assim, embora a comprimentos de onda longos de som em um CBE seja uma bom analógico à luz (cuja velocidade é independente do comprimento de onda), afasta-se em comprimentos de onda mais curtos.

Jeff Steinhauer usado um laser para criar um horizonte sonoro em um condensado de Bose-Einstein.  Crédito: Nitzan Zohar, o Gabinete do Porta-voz Technion

A configuração de steinhauer (inferior a 100 um de comprimento) é convertida em um horizonte com um brilho sônica por um feixe de laser com um aresta acentuada para o CBE. A frequência do laser é tal que os átomos são acelerados para a região com o campo do laser forte. A ponta afiada do campo do laser é disposta de modo a viajar ao longo do CBE com uma velocidade ligeiramente menor do que a velocidade do som no CBE estacionário, mas maior do que a do som no CBE no campo do laser, formando um horizonte sônico. No quadro da aresta, o montante sonoro tanto na região escura quanto na região iluminada por laser desloca-se do horizonte. Assim, nenhum som pode escapar por trás do horizonte, assim como a luz  não pode sair de um buraco negro.

Roberto Balbinot na Universidade de Bolonha, em Itália e colegas haviam sugeriram que uma forma de detectar emissão quântica em um CBE é olhar para a função de correlação densidade-densidade perto do horizonte. Para qualquer campo obedecendo a uma equação linear (como para as ondas sonoras em um CBE e os campos em torno de buracos negros astrofísicos), as partículas são criadas em pares emaranhados no qual um par escapa para longe do horizonte e o outro fica preso dentro. Ao medir a correlação de oscilações das densidades de ambos os lados do horizonte, Steinhauer poderia procurar evidências de pares de ondas sonoras (fônons emaranhados) que escapam de seu horizonte.

Executando as milhares de experiências, Steinhauer determinada a função de correlação que é usada para se obter uma medida de emaranhamento. Um valor positivo para esta medida denota emaranhamento, uma propriedade puramente quântica. Assumindo que o som baixo está em seu estado de vácuo, ele descobriu que, nos comprimentos de onda curtas (ainda assumindo a ótima analogia com com a luz), a medida é positiva. Isso implicaria que as flutuações são de origem quântica e são causadas por partículas que emanam do horizonte. A estrutura da função de correlação é também consistente (embora com grande incerteza) com emissão térmica.

As faixas escuras neste gráfico mostram as correlações entre partículas Hawking e suas parceiros. O horizonte do buraco mudo está na origem. Crédito: J. Steinhauer, Nature 2016

O experimento de steinhauer necessita claramente de ser confirmado por outras pessoas, com a garantia de que não há outra explicação para a estrutura da função de correlação densidade-densidade. Há uma probabilidade razoável de que Steinhauer esteja certo. Desde o horizonte da temperatura teórica na BEC seja derivado da mesma forma que Hawking derivou a temperatura buraco negro, esta experiência suporta os resultados de cálculo de Hawking para a temperatura do buraco negro.

Quanto a analogia poderia ser empurrada? A escala de Planck (gravidade quântica) é desconhecida. A física de fluidos em escalas muito mais curtas do que a distância média entre os átomos (tais como em hélio líquido) também é pouco compreendida. Na derivação de Hawking, as flutuações do vácuo iniciais que produzem a radiação térmica para os buracos negros são em escalas muito menores do que o comprimento de Planck. Na verdade, acreditamos que a radiação térmica do buraco negro é independente da física escala de Planck. Essa crença seria reforçada se um experimento mostrar que a radiação térmica emitida pelo horizonte CBE originou de flutuações do vácuo em escalas mais curtas do que a separação interatômica.

O experimento de steinhauer, se correto, já indica que a temperatura e o emaranhamento são independentes das alterações na velocidade do som que ocorrem em comprimentos de onda mais curtos do que o comprimento de cura. O resultado sugere que a radiação do buraco negro é independente do comportamento da teoria em escalas curtas (sub-escala-Planck), ao contrário do derivação de Hawking. É, portanto, um desafio teórico para produzir uma derivação que deixa claro que é realmente necessário para produzir essa radiação térmica no horizonte. Experimentos certamente poderia nos mostrar como fazer isso.

O próximo desafio experimental é refazer os experimentos BEC confirmarem e melhorarem estes resultados. O espectro é realmente térmico?A falta de emaranhamento em comprimento de onda longos é devido à excitação de outros modos, e pode ser medida? Quais outros sistemas físicos que podem mostrar o efeito? A próxima manifestação é provável que seja em um sistema óptico, como os experimentos com diamantes sendo conduzido pelo grupo de Daniele Faccio em Heriot-Watt University, em Edimburgo, Escócia. Finalmente, em que condições é que as analogias quebrar?

O artigo original de William Unruh de 1981 foi intitulado "Evaporação Experimental de um Buraco Negro?". "Eu lutei duro com os editores da revista Physical Review Letters para manter o ponto de interrogação, já que a possibilidade de tais experiências parecia tão remota", disse Unruh. "Para minha surpresa e satisfação, a evaporação do buraco negro tornou-se experimental. Não precisamos mais do ponto de interrogação".

Traduzido e adaptado de Physics Today