[論文レビュー] Observation of stationary spontaneous Hawking radiation and the time evolution of an analogue black hole

Victor I. Kolobov, Katrine Golubkov+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ボーズ＝アインシュタイン凝縮体に作られたアナローグブラックホールにおいて、自己発光的ホーキング放射の定常性が確認された。初期の上昇段階から持続的放射への時間発展が観測された。実験では、刺激的ホーキング放射とその相棒粒子の放射が観測され、後者は多モードから単色に進化し、ブラックホールレーザーではなくボゴリューボフ＝チェレントコフ＝ランダウ増幅に一致する。

ABSTRACT

The emission of Hawking radiation from a black hole was predicted to be stationary, which is necessary for the correspondence between Hawking radiation and black-body radiation. Spontaneous Hawking radiation was observed in analogue black holes in atomic Bose-Einstein condensates, although the stationarity was not probed. Here, we confirm that the spontaneous Hawking radiation is stationary, by observing such a system at six different times. Furthermore, we follow the time evolution of Hawking radiation and compare and contrast it with predictions for real black holes. We observe the ramp up of Hawking radiation followed by stationary spontaneous emission, similar to a real black hole. The end of the spontaneous Hawking radiation is marked by the formation of an inner horizon, which is seen to cause stimulated Hawking radiation as predicted. We find that the stimulated Hawking and partner particles are directly observable, and that the stimulated emission evolves from multi-mode to monochromatic. Numerical simulations suggest that Bogoliubov-Cherenkov-Landau stimulation predominates, rather than black-hole lasing.

研究の動機と目的

• 理論予測通りの熱的ブラックボディ放射と類似する性質を示すために、アナローグブラックホールにおける自己発光的ホーキング放射の定常性を検証すること。
• アナローグブラックホールの形成から定常状態への放射への時間発展を調査すること。
• 制御された実験的設定において、刺激的ホーキング放射およびその相棒粒子を観測・特徴づけること。
• 実験的および数値的分析を通じて、支配的増幅メカニズムとしてのボゴリューボフ＝チェレントコフ＝ランダウ増幅とブラックホールレーザーの区別をすること。

提案手法

• レプulsiveポテンシャルバリアを用いて、一次元に近いボーズ＝アインシュタイン凝縮体にアナローグブラックホールを生成すること。
• 時間的安定性および定常性を評価するために、6つの異なる時刻におけるホーキング放射強度を逐次測定すること。
• 時間分解スペクトロスコピーを用いて、放出粒子のモード構造およびスペクトル発展を分析すること。
• グロス＝ピタエフケィ方程式に基づく数値シミュレーションを実施し、ダイナミクスの発展をモデル化し、支配的増幅メカニズムを同定すること。
• 実験データを実ブラックホール放射およびアナローグ系の理論予測と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論予測通り、アナローグブラックホールにおける自己発光的ホーキング放射は時間的に本当に定常的であるか？
• RQ2 アナローグブラックホールの形成直後から定常状態への放射への強度およびスペクトル分布の時間発展はどのように変化するか？
• RQ3 刺激的ホーキング放射の性質は何か？ また、放出された粒子およびその相棒粒子は直接観測可能か？
• RQ4 観測された増幅において、支配的メカニズムはボゴリューボフ＝チェレントコフ＝ランダウ増幅か、ブラックホールレーザーか？
• RQ5 内視界の形成が、理論モデルが予測するように、放射ダイナミクスに特徴的な遷移を引き起こすか？

主な発見

• 自己発光的ホーキング放射が定常的であることが確認され、6つの時刻における放射強度が一貫しており、熱的性質に類似していることが裏付けられた。
• 放射には明確な上昇段階に続き、持続的放射が続くことが観測され、実ブラックホールの挙動と類似していた。
• 刺激的ホーキング放射およびそのもつれ相棒粒子が直接観測され、放射は多モードから単色に進化した。
• 数値シミュレーションにより、ブラックホールレーザーではなく、ボゴリューボフ＝チェレントコフ＝ランダウ増幅が支配的増幅メカニズムであると示された。
• 自己発光的放射の終焉は、内視界の形成と一致しており、理論予測通りに刺激的放射の発生が促進された。