Zwarte-gat laser ontwikkeld
Je kan licht versterken door het heen en weer te laten kaatsen tussen de waarnemingshorizonnen van een zwart en een wit gat. Fysici hebben nu een methode bedacht om een dergelijke ‘zwarte gat’ laser in een laboratorium na te bouwen.
De laatste jaren is ontdekt dat in bepaalde metamaterialen, dat zijn materialen die niet massief zijn maar een complexe structuur kennen en bijvoorbeeld een negatieve brekingsindex kunnen bezitten, gebruikt kunnen worden om een model te bouwen van bijvoorbeeld ruimtetijd, andere universa met exotische dimensies en verschijnselen als zwarte gaten. De reden is dat ze wiskundig gezien op dezelfde wijze worden beschreven. Doorgaans wordt hier gebruik gemaakt van de optische eigenschappen van deze materialen. Naar blijkt, is het mogelijk een optisch ‘zwart gat’ te construeren, dat zelfs Hawkingstraling afgeeft. Chinese natuurkundigen deden dat in 2009[1]. Deze analogie kan nog verder worden doorgetrokken. Niet alleen zwarte gaten, die alle licht of andere dingen die de waarnemingshorizon passeren opslokken, maar ook witte gaten, waarin niets achter kan blijven, blijken met metamaterialen na te bootsen. Ook deze witte gaten moeten dan, blijkt uit de wiskundige formules, Hawkingstraling afgeven. De Hawkingstraling van een reëel, stellair zwart gat is overigens veel te zwak om waar te nemen, laat staan op afstand. Van een zeer klein kunstmatig zwart gat treden er wel verschijnselen op die karakteristieken van Hawkingstraling hebben, al zijn deze waarnemingen nog behoorlijk omstreden.
Hawkinglaser
Stel dat Hawkingstraling werkeljk bestaat (waarop de kans per saldo vrij groot is, gezien zowel de algemene relativiteitstheorie i.c.m. kwantumechanica en de (omstreden) waarnemingen die daarop wijzen). Wat zou je er dan mee kunnen doen? Het antwoord: een laser mee bouwen, aldus een aantal onderzoekers. Hun idee is om een zwart gat naast een wit gat te creëren, enkele honderden micrometers van elkaar gescheiden, en met behulp hiervan een kleine holte te fabriceren. In hun artikel laten ze zien dat als licht wordt afgevuurd in deze holte, het vanaf de causale horizon van een wit gat wordt gekaatst naar de waarnemingshorizon van een zwart gat en andersom. Nu gebeurt er iets interessants. Naar blijkt, zorgt elke reflectie voor een versterking. De Hawkingstraling wordt toegevoegd aan de bundel, waardoor deze wordt versterkt. Dit proces is logaritmisch, zodat een kleine hoeveelheid licht een intense stralingsbundel produceert. Helaas voor Darth Vader en de Dark Emperor (en gelukkig voor ons en onze mooie, groene wereld) bestaan er in het ons bekende heelal voor zover we weten geen witte gaten – er is geen natuurkundig proces bekend waardoor deze zich kunnen vormen – maar deze must-have voor elke galactische veroveraar met destructieve neigingen kan wel op kleine schaal in het lab nagebouwd worden, zo blijkt uit berekeningen.
Licht vormt zelf gebeurtenishorizon
Overigens zijn Faccio en zijn groep niet de eersten (alhoewel wel de eerste die hiervoor witte gaten gebruiken). De briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Borisovich Zel’dovich beschreef al decennia eerder een zogeheten zwarte gat bom, een zwart gat omringd door een schil, die ook van dit amplificerende effect van Hawkingstraling gebruik maakte. Wat hun prestatie echt uniek maakt, is dat ze laten zien hoe dit instrumnt ook echt in het lab gebouwd kan worden. Ze wijzen erop dat de refractieindex van bepaalde materialen afhangt van hoeveel licht er doorheen valt. Met andere woorden: licht verandert de refractieindex. Als je iets afweet van natuurkunde gaat er nu een belletje rinkelen. Immers: ook voor massa geldt dat deze de kromming van ruimtetijd beïnvloedt. Hierdoor ontstaat dus een zeer interessante analoog aan ruimtetijd, waarin het licht de rol van massa vertegenwoordigt en de refractieindex de kromming van ruimtetijd. Een zeer intensieve bundel zal dus een enorm steile gradiënt veroorzaken in het materiaal. Zo steil zelfs dat licht niet meer kan ontsnappen, m.a.w. we hebben hier dan iets dat zich gedraagt als een gebeurtenishorizon. In feite kan een enkele puls zelfs twee fenomenen produceren: een zwart gat aan de voorkant en een wit gat aan de achterkant.
Zwart gat in diamant
De groep wil juist dit fenomeen gebruiken voor hun onderzoek. Volgens hen zou di mogelijk moeten zijn in optische golfgeleiders gemaakt van diamant. Ze hebben het model numeriek doorgerekend en volgens hen werkt het als verwacht. Op dit moment is het mogelijk diamant in elke gewenste vorm te laten groeien (al is het een zeer traag, energieslurpend en dus duur proces), dus zou het in principe mogelijk moeten zijn dit idee in het lab uit te testen. Een veelbelovend vooruitzicht. Want waarschijnlijk zijn er ook de nodige positieve toepassingen te bedenken voor dit unieke fenomeen.
Bronnen
1. Qiang Cheng, Tie Jun Cui, Wei Xiang Jiang, Ben Geng Cai, An electromagnetic black hole made of metamaterials, ArXiv (2009)
2. Daniele Faccio, Tal Arane, Marco Lamperti, Ulf Leonhardt, Optical Black Hole Lasers, ArXiv (2012)