Wissenschaftler haben zum ersten Mal einen riesigen Quantenwirbel geschaffen, der ein Schwarzes Loch in superflüssigem Helium nachahmt und es ihnen ermöglicht, detaillierter zu sehen, wie sich analoge Schwarze Löcher mit ihrer Umgebung verhalten und interagieren.
Forschungen unter der Leitung der University of Nottingham haben in Zusammenarbeit mit dem King's College London und der Newcastle University eine neuartige experimentelle Plattform geschaffen: einen Quantentornado. Sie haben einen riesigen Wirbel in superflüssigem Helium erzeugt, das auf die niedrigstmögliche Temperatur abgekühlt ist.
Durch die Beobachtung der Dynamik winziger Wellen auf der Oberfläche des Superfluids hat das Forschungsteam gezeigt, dass diese Quantentornados die Gravitationsbedingungen in der Nähe rotierender Schwarzer Löcher nachahmen. Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur.
Der Hauptautor des Papiers, Dr. Patrik Svancara von der School of Mathematical Sciences der University of Nottingham, erklärt: „Der Einsatz von superflüssigem Helium hat es uns ermöglicht, winzige Oberflächenwellen detaillierter und genauer zu untersuchen als mit unseren vorherigen Experimenten in Wasser.“ Da die Viskosität von supraflüssigem Helium extrem gering ist, konnten wir ihre Wechselwirkung mit dem supraflüssigen Tornado sorgfältig untersuchen und die Ergebnisse mit unseren eigenen theoretischen Prognosen vergleichen.“
Das Team konstruierte ein maßgeschneidertes kryogenes System, das mehrere Liter superflüssiges Helium bei Temperaturen unter -271 °C enthalten kann. Bei dieser Temperatur erhält flüssiges Helium ungewöhnliche Quanteneigenschaften. Diese Eigenschaften verhindern typischerweise die Bildung von Riesenwirbeln in anderen Quantenflüssigkeiten wie ultrakalten Atomgasen oder Quantenflüssigkeiten aus Licht. Dieses System zeigt, wie die Grenzfläche von supraflüssigem Helium als stabilisierende Kraft für diese Objekte wirkt.
Dr. Svancara fährt fort: „Superflüssiges Helium enthält winzige Objekte, sogenannte Quantenwirbel, die dazu neigen, sich voneinander zu entfernen. In unserem Aufbau ist es uns gelungen, Zehntausende dieser Quanten in einem kompakten Objekt einzuschließen, das einem kleinen Tornado ähnelt, und so eine Wirbelströmung mit rekordverdächtiger Stärke im Bereich der Quantenflüssigkeiten zu erreichen.“
Forscher entdeckten faszinierende Parallelen zwischen der Wirbelströmung und dem Gravitationseinfluss von Schwarzen Löchern auf die umgebende Raumzeit. Diese Errungenschaft eröffnet neue Möglichkeiten für Simulationen von Quantenfeldtheorien bei endlicher Temperatur im komplexen Bereich gekrümmter Raumzeiten.
Professorin Silke Weinfurtner, Leiterin der Arbeit im Black Hole Laboratory, in dem dieses Experiment entwickelt wurde, sagt: „Als wir in unserem ersten analogen Experiment im Jahr 2017 erstmals klare Signaturen der Physik schwarzer Löcher beobachteten, war das ein Durchbruch für das Verständnis einiger davon.“ bizarre Phänomene, deren anderweitige Untersuchung oft schwierig, wenn nicht sogar unmöglich ist.
„Mit unserem ausgefeilteren Experiment haben wir diese Forschung nun auf die nächste Ebene gebracht, die uns schließlich dazu führen könnte, vorherzusagen, wie sich Quantenfelder in gekrümmten Raumzeiten um astrophysikalische Schwarze Löcher verhalten.“
Der Höhepunkt dieser Forschung wird vom 25. Januar bis 27. April 2025 in einer Ambi-Ausstellung mit dem Titel „Cosmic Titans“ in der Djanogly Gallery, Lakeside Arts, der University of Nottingham (und auf Tournee zu Veranstaltungsorten in Großbritannien und Übersee) gefeiert und kreativ erkundet ).
Die Ausstellung umfasst neu in Auftrag gegebene Skulpturen, Installationen und immersive Kunstwerke führender Künstler, darunter Conrad Shawcross RA, die aus einer Reihe innovativer Kooperationen zwischen Künstlern und Wissenschaftlern resultieren, die vom ARTlab Nottingham ermöglicht werden. Die Ausstellung wird kreative und theoretische Untersuchungen zu Schwarzen Löchern und der Geburt unseres Universums vereinen.