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음파를 포획하는 블랙홀 유사체 Inven.Discov.Tech.

Black-hole analogue traps sound

이스라엘 기술 대학의 제프 스타인하우저는 극냉각 원자 시스템으로 호킹 복사를 관측하기를 희망하고 있다.

이스라엘의 물리학자들은 천체물리학의 블랙홀이 빛을 포획할 수 있는 것과 같은 방식으로 음파를 포획할 수 있는 블랙홀 유사체를 개발하였다. 밀도 반전된 보제 아인슈타인 응축(“density-inverted Bose?Einstein condensate”)을 포함한 이 시스템은 포착하기 어려운 호킹 복사(Hawking radiation)를 검출할 수 있는 가장 좋은 시스템이 될 것으로 보인다. 천체 물리학의 관점에서, 블랙홀은 밀도가 매우 커서 블랙홀의 중심에서 중력이 무한대로 접근하는 영역이다. 이 영역을 둘러싼 블랙홀의 바깥 경계인 이른바 이벤트 호라이즌(event horizon)은 심지어 빛도 빠져나갈 수 없다.

오랫동안, 블랙홀은 완전히 암흑이라는 개념으로 인해서 과학자들은 이 물체가 직접적으로 관측될 수 없다고 생각하기에 이르렀다. 그러나 1970년대 초기, 스페판 호킹(Stephen Hawking)은 이스라엘 예루살렘의 헤브루 대학의 야콥 베겐스타인(Jacob Bekenstein)의 연구결과에 기반하여 블랙홀의 관측이 가능하다는 것을 보였다. 호킹의 계산은 입자-반입자 쌍이 이벤트 호라이즌에 들어오게 되면 블랙홀에 가장 가까운 것은 안으로 떨어지고 다른 것은 탈출한다. 탈출한 입자들의 합계는 호킹 복사를 구성하고 블랙홀의 존재를 알릴 수 있게 되는 것이다.

문제는 호킹 복사의 온도가 우주 배경 복사의 온도보다 매우 더 낮다는 것이다. 그런 이유로, 여러 연구 그룹에서 인위적으로 온도를 높일 수 있는 실험실에서의 블랙홀 유사체를 제작하려고 시도하였다. 그러나 이런 시스템의 어떤 것도 검출 가능한 호킹 방사를 만들어 내지 못하였다. 이스라엘 기술 대학의 제프 스타인하우저(Jeff Steinhauser)와 동료 연구진은 그들의 음속 블랙홀(sonic black hole)로 한단계 더 연구의 진전을 이루었다. 그들의 시스템은 보제-아인슈타인 응축 또는 같은 양자 상태에서 간섭적으로 움직이는 냉각된 원자 집단을 포함한다.

보제 아인슈타인 응축은 두 가지 가능성을 포함한다. 하나는 분화구 모양의 조화 포텐셜로써 자기장에 의해서 형성된다. 그리고 다른 하나는 레이저 빔에 의해서 형성된 더 깊은 가우시안(Gaussian) 포텐셜이 종첩 된다. 가우시안 포덴셜을 좌우로 이동시킴으로써 연구진은 원자들이 매체 안에서 음속보다 더 빠른 속도로 포텐셜 안으로 떨어지고 빠져 나온다는 것을 발견하였다.

초음속 움직임이 이 시스템 성공의 핵심이다. 음파가 움직이면서 원자와 같은 방향으로 진행한다면 결코 원자에 도착하지 못할 것이다. 이 경우, 움직이는 원자들은 음향 백색 구멍(white hole)으로 역할을 하여 그 안으로 어떤 음파도 들어갈 수 없게 되는 것이다. 역으로 음파가 반대 방향으로부터 접근한다면 그것은 원자에 접근할 것이지만 떠나지는 못할 것이므로 이 겨우 원자들은 음속 블랙홀 역할을 한다.

이 효과에 대한 이스라엘 연구진의 증거는 포텐셜의 양쪽상의 원자 구름 밀도를 측정함으로써 얻어졌다. 비록 호킹 복사에 대한 증거를 아직 가지고 있지 않지만 연구진은 호킹 온도가 0.3 nK 영역일 것이라고 예측하고 있다. 연구진은 온도를 10배 정도 올리면 호킹 복사를 관측하기에 충분할 것이라고 말하였다. 블랙홀 유사체를 연구하고 있는 프랑스 파리스-서드(Paris-Sud) 대학의 이론 물리학자인 레나우드 파렌타니(Renaud Parentani)는 이스라엘 연구진의 실험은 응집물리 환경에서 호킹 복사를 볼 수 있는 새로운 도약으로 기록될 것이라고 말하였다.

특히 그는 이런 종류의 양자-유체 시스템이 광섬유와 같이 최근에 시도된 다른 시스템보다 이벤트 호라이존에서 입자-반입자 쌍의 생산을 제한하는 분산으로부터 곤란을 덜 겪을 것이라는 계산을 끝냈다. 파렌타니는 연구진이 온도를 더 증가시킬 수 있다면 호킹 복사를 검출하는 것이 쉬울 것이라고 말하였다. 그러나 그는 블랙홀 유사체가 신호를 증폭시키기 위해서 협력하여 작동한다면 이와 같은 온도 증가 없이 호킹 복사를 관측할 수 있을 것이라고 말하였다.


http://physicsworld.com/cws/article/news/39501

 

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Black-hole analogue traps sound

Jeff Steinhauer hopes to detect Hawking radiation in the lab

 

Physicists in Israel have created a black–hole analogue that can trap sound in the same way an astrophysical black hole can trap light. The system, which comprises a “density-inverted Bose–Einstein condensate”, may present one of the best chances yet to detect elusive Hawking radiation.

In an astrophysical sense, a black hole is a region of space so dense that the gravity at its centre approaches infinity. Surrounding this region is the so–called event horizon, beyond which nothing — not even light — can escape.

For a long time, the notion that black holes are totally black led scientists to think the objects could not be observed directly. But in the early 1970s, Stephen Hawking, building on work by Jacob Bekenstein of the Hebrew University of Jerusalem, showed that this need not be the case. Hawking’s calculations indicated that if a particle–antiparticle pair came into existence straddling the event horizon, the one closest to the black hole would fall inwards while the other would escape. The sum of escaped particles would constitute Hawking radiation, and could reveal the black hole’s presence.

The trouble is that the temperature of Hawking radiation would be much lower than the universe’s background radiation, and therefore would be difficult to make out. For this reason, several research groups have attempted to create analogues of black holes in the lab, where they can decrease the background temperature. However, so far none of these systeMS — which include optical fibres and quantum fluids — have yielded Hawking radiation that could be detected.

Two potentials

Jeff Steinhauerand colleagues of the Israel Institute of Technology “Technion” in Haifa have perhaps got a step further with their sonic black hole. Their system comprises a Bose–Einstein condensate (BEC), or a collection of cold atoms that move coherently in the same quantum state.

The BEC contains two potentials: one crater-shaped “harmonic” potential, which is formed via magnetic fields, and a deeper, superimposed “Gaussian” potential, which is formed with a laser beam. By shifting the potential sideways, the researchers found that atoms fell in and climbed out of the potential at a speed faster than sound in the medium, or about 1 mm/s.

This supersonic travel is key to the success of the system. If a sound wave approaches the atoms in the opposite direction as their movement, it will reach the atoms but will never be able to leave. In this instance, the moving atoms act as a sonic “black hole”, from which no sound can leave. Conversely, if the atomic flow “velocity gradient” is altered, the sound wave will never reach the atoms, in which case they act as a sonic “white hole”..

The Israeli group’s evidence for this effect came by mapping the density of the atomic clouds in and around the Gaussian potential minimum. Although they do not yet have evidence for Hawking radiation — which in this type of system would constitute packets of sound energy or “phonons” — they predict the Hawking temperature to be at a temperature in the region of 0.3 nK. Just an order-of-magnitude increase in this temperature should be enough to make the Hawking radiation visible, they say.

Good system

Renaud Parentani, a theorist at the University Paris-Sud in France who studies black-hole analogues, thinks the Israeli group’s experiment marks “a new step” towards seeing Hawking radiation in a condensed–matter environment. In particular, he has done calculations to show that this type of quantum–fluid system should suffer less from dispersion — which limits the production of particle–antiparticle pairs at the event horizon — than other recently tried systems, such as fibre optics.

Parentani says that if the researchers can achieve an order-of-magnitude increase in temperature, it could become easier to detect Hawking radiation. However, he points out — as do the researchers themselves — that they may still see it without such an increase if the black– and white–hole analogues work together to amplify the signal. In this theory, which was devised by Steven Corely of the University of Alberta, Canada, and Ted Jacobson of the University of Maryland, US, in 1999, the system behaves like a laser, so that the Hawking radiation becomes more intense than the temperature alone would imply.

The research is described in detail at arXiv: 0905.0777.

 

 

References : KISTI, physicsworld.com

 

 

 

 

 

 

 


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