חור שחור אקוסטי

חור שחור אקוסטי (או חור שחור קולי) הוא תופעה שבה גלי קול אינם מסוגלים לברוח מזורם שנע מהר יותר ממהירות הקול המקומית. החור השחור האקוסטי מכונה כך מכיוון שהוא כולא פונונים (קוונטות של גלי קול) באופן דומה לכליאה של פוטונים (קוונטות של גלי אור) על ידי חור שחור אסטרונומי (כבידתי), הידוע בכך שאור שעובר במרחק מספיק קרוב אליו אינו מסוגל לברוח ממנו.
לחור השחור האקוסטי יש נקודות דמיון רבות לחור השחור האסטרונומי, ובפרט הצפי התאורטי לכך שיפלוט את הגרסה הפונונית (קולית) של קרינת הוקינג. קרינה זו היא תופעה קוונטית, וצופים שהיא תיפלט מהגבול של החור השחור האקוסטי (אשר מכונה אופק האירועים האקוסטי), בו מהירות הזרימה משתנה ממהירות הקטנה ממהירות הקול למהירות הגדולה ממהירות הקול.
ישנן מערכות שונות שיכולות לשמש ליצירת חורים שחורים אקוסטיים, והעובדה שמערכות רבות כל כך מחקות כבידה מהווה מעין ראיה לתאוריה של כבידה מתהווה ספונטנית שיכולה לעזור לחבר את תורת היחסות עם מכניקת הקוונטים, בעיה עמוקה בפיזיקה שעדיין לא נפתרה.
ב-2019, לראשונה נמצא אישוש לקרינת הוקינג על ידי יצירת חור שחור קולי. את המדידה ביצע החוקר ישראלי פרופ' ג'ף סטיינהאור מהטכניון על ידי כך שיצר מודל במעבדה המדמה את הקרינה הנפלטת מחור שחור

אנלוגיית כבידה

הרעיון של חור שחור אקוסטי הוצע לראשונה בשנת 1981 על ידי הפיזיקאי ויליאם אונרו, שפיתח שיטה למיפוי של אספקטים שונים של פיזיקת חורים שחורים לפיזיקה של זורמים. הקיום של החורים השחורים האקוסטיים אפשרי תאורטית מכיוון שמשוואות התנועה (קינמטיקה) של פונונים בזורמים מושלמים זהות לאלו של שדות (כמו שדה הכבידה) במרחב-זמן. לכן, מערכת שבה יכול להיווצר חור שחור אקוסטי נקראת אנלוגיית כבידה. כמעט כל זורם יכול לשמש ליצירת אופק אירועים אקוסטי, אך הצמיגות והנוכחות של מערבולות ברוב הזורמים מקשה מאוד על גילוי של מאפיינים עדינים כמו קרינת הוקינג. לפי אונרו, המדידה של קרינת הוקינג הפונונית היא אתגר לא פשוט, אבל היא צריכה להיות הרבה יותר פשוטה טכנולוגית ממדידת קרינת הוקינג האסטרופיזית, שהתקווה היחידה למדידתה היא על ידי יצירה של חורים שחורים זעירים במעבדה.

מחקרים עכשוויים

מערכות זורמים כמעט-מושלמים המוצעות ליצירת חורים שחורים אקוסטיים הן הליום על-נוזלי, גז פרמי מנוון ועיבוי בוזה-איינשטיין. ישנן מערכות נוספות שהן אנלוגיות כבידה שאינן מערכות פונונים בזורם, כמו אור איטי ומערכות יונים. האנלוגיה הראשונה לחור שחור נוצרה רק ב-2009 במערכת של עיבוי בוזה-איינשטיין של הגז האטומי רובידיום. במערכת זו, החור השחור האקוסטי נוצר באמצעות טכניקה של הפעלת פוטנציאל חיצוני על העיבוי. הפוטנציאל החיצוני מאיץ את העיבוי בצורה לא-הומוגנית כך שנוצר גרדיאנט מהירויות זרימה בתחום של זרימה תת-קולית ועל-קולית, ולכן נוצר אופק אירועים אקוסטי שבו מהירות הזרימה שווה למהירות הקול. על ידי שימוש בפוטנציאל עם מינימום, העיבוי נדחה ומתקבלת תופעה של היפוך צפיפות. הכבידה המשטחית וטמפרטורת הוקינג של החור השחור האקוסטי במערכת חושבו תאורטית, אך עדיין לא נעשה ניסיון למדוד את קרינת הוקינג הפונונית. המדענים שיצרו זאת טוענים שהניסוי מתאים למדידת הקרינה והציעו דרך שבאמצעותה ניתן לבצע זאת על ידי יצירת מהוד עבור הפונונים המורכב מזוג של חורים שחורים אקוסטיים.

תפקיד האנלוגיה האקוסטית בפיזיקה

תחת מספר הנחות, גלים אקוסטיים בזורמים חסרי צמיגות יכולים להיות מתוארים על ידי משוואות תנועה של גאומטריה לורנציאנית. באופן מסורתי, גאומטריות לורנציאניות היו מעניינות רק בתחום תאוריית הכבידה של אלברט איינשטיין. אנלוגיות הכבידה האקוסטיות מרחיבות את היריעה התאורטית לתחומים פיזיקליים נוספים. התוצאה המעניינת ביותר היא שהפיזיקה הניוטונית הלא-יחסותית של זורמים שבה מושגי המרחב והזמן מופרדים לחלוטין, עדיין מתארת גלים אקוסטיים המצומדים לגאומטריה לורנציאנית של מרחב-זמן. תוצאה זו מכריחה אותנו לנתח את הפיזיקה של החורים השחורים בשביל להפריד את המאפיינים שהם ייחודיים ליחסות כללית והמאפיינים הגנריים לכל גאומטריה לורנציאנית. האנלוגיה האקוסטית משקפת בדיוק "חצי" מהיחסות הכללית, שהיא הקינמטיקה שמגדירה הגאומטריה הלורנציאנית. ה"חצי" השני, שלא מתבטא באנלוגיה האקוסטית, היא הדינמיקה שמגדירות משוואות איינשטיין ביחסות הכללית. המסקנה החשובה ביותר היא שקרינת הוקינג הנפלטת מאופק האירועים היא אפקט קינמטי לחלוטין שמתרחש בכל גאומטריה לורנציאנית שמוגדר בה אופק אירועים.

קשיים תאורטיים

בנוסף, כבר בתחילת דרכה של תאוריית קרינת הוקינג זיהו בעיה פוטנציאלית בשיטת החישוב. החישוב מתבסס על נכונות תורת השדות הקוונטית על רקע של מרחב עקום ובמרחבים קצרים שרירותית (או אנרגיות גבוהות שרירותית). ביחסות הכללית, אם נבחן את חבילת הגלים הסופית (פוטון) שבורחת לאינסוף מהחור השחור ונעקוב אחריה אחורה בזמן, נקבל שאורך הגל שואף לאפס על אופק האירועים (תדירות הגל היא הגודל הפיזיקלי שאינו משתנה). באופן עקרוני, כל פיזיקה בלתי ידועה שמעבר לסקאלת פלאנק יכולה להשפיע משמעותית על תהליך קרינת הוקינג. לכן, בעיה זו נקראת הבעיה הטראנס-פלאנקיאנית.

יצירת אופק האירועים האקוסטי

כדי ליצור את אופק האירועים האקוסטי, יש ליצור גרדיאנט מהירויות בתוך העיבוי בוזה-איינשטיין כך שנקבל התפלגות מרחבית של מהירויות תת-קוליות ועל-קוליות. לשם כך, יש להפעיל פוטנציאל חיצוני תלוי בזמן על העיבוי, למשל על ידי לייזרים או שדות מגנטיים משתנים.

שיטת היפוך הצפיפות

בשיטת היפוך הצפיפות, העיבוי זורם לתוך נקודת מינימום הפוטנציאל ומאיץ אל צדו השני. בנקודת המינימום הזרימה היא המהירה ביותר ולכן הצפיפות שם נמוכה כפי שמוכתב על ידי משוואת הרציפות. אם הפוטנציאל היה חזק מספיק כדי להאיץ את הזרימה למהירות על-קולית, נקבל שני אופקים אקוסטיים (אנלוגי לחור שחור וחור לבן יחסותיים) שיכולים לשמש כמהוד אקוסטי ולעזור למדוד את הפונונים.