ある物理学者は、ホーキング放射とその量子的な奇妙さを観測するために、自身の研究室の安全な範囲内で音波ブラックホールを作成したと主張している。
ブラックホールの重力はかつて非常に強く、事象の地平線を越えて引きずり込まれると、いかなる物体も光も逃れられず、ブラックホールは見えなくなると考えられていました。しかし1974年、スティーブン・ホーキングとヤコブ・ベッケンシュタインはこの考えを否定し、ブラックホールは完全に黒いのではなく、エネルギーを放出しており、実際にはそれがブラックホールの縮小の原因であると主張しました。
このエネルギーは電磁放射（後にホーキング放射として知られる）の形で現れ、宇宙で観測されたことはありませんでした。この放射はブラックホール自体から発生するものではなく、粒子と反粒子のペアが生成されたものと解釈されてきました。粒子の一方がブラックホールに落ち込み、もう一方がブラックホールから脱出するのです。
そこで、イスラエル工科大学の研究者ジェフ・スタインハウアー氏は、ホーキング放射の量子的性質を研究するために、代わりに超流体の一種であるボーズ・アインシュタイン凝縮体を使用することにした。
事象の地平線の効果を再現するために、シュタインハウアーはレーザーを使用して凝縮体の片側の原子をその場で捕捉し、もう一方の側に2番目のレーザーを使用してステップポテンシャルを作成しました。
ステップポテンシャルは滝のように作用し、原子が限界を超えると急速に加速し、音速を超える速度で移動し、事象の地平線内にあるとみなされます。ステップポテンシャルを超えられない原子は亜音速で移動し、事象の地平線外にあると解釈されます。
超流動体中の流れの速度は、ブラックホールの重力を模倣しています。フォノン（音波として考えられる振動エネルギーの粒子）が流れの流れに逆らって脱出しようとする様子は、天体物理学のブラックホールから脱出しようとするホーキング放射光子に似ています。
写真提供：ネイチャー・フィジックス、ジェフ・スタインハウアー
スタインハウアーの研究結果はNature Physics誌に掲載され、ホーキング放射がエンタングルメントしていることを示しています。彼は相関関数（異なる位置にある2つの粒子の性質がどのように関連しているかを示す指標）を測定し、高エネルギーフォノンでは高い相関が見られるものの、低エネルギーフォノンでは低い相関が見られることを発見しました。
事象の地平線から等距離にあるフォノンは相関関係にあり、等しく反対のエネルギーを持っているとシュタインハウアー氏は説明した。
ホーキング放射は量子ゆらぎ、つまり無から粒子が生成されるランダムな変化です。しかし、全エネルギーがゼロに収束するため、物理学の原理に反するものではありません。
「ドップラー効果による音波を想像してみてください。音波と同じ方向に、しかしより速く進んでいる場合、音波は後ろ向きに進んでいるように見えます。これは負の周波数とエネルギーとして解釈できます」とスタインハウアー氏はThe Register紙に語った。
事象の地平線の内側に押し流されたフォノンは負のエネルギーを持ち、一方、事象の地平線の外側に押し流されたフォノンは正のエネルギーを持ちます。
「このエンタングルメントはホーキング放射の量子的性質を証明している」と論文は述べている。スタインハウアー氏は、次のステップとして人工ブラックホールを用いて、情報パラドックスや量子重力といったより大きな問題に取り組むことを期待している。
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しかし、誰もが納得しているわけではない。
アナログのブラックホールは本物にどれくらい近いのでしょうか?
シュタインハウアーがホーキング放射を調べるために実験室の類似物を用いたのは今回が初めてではない。2014年には、同じくNature Physics誌に、ボース・アインシュタイン凝縮体を用いて量子もつれのない「自己増幅ホーキング放射」を再現した論文を発表している。
アナログブラックホールを用いることで、量子力学と重力の統合といった問題に対するより深い理解が得られるのかという疑問がありました。そして、この疑問は今もなお残っています。
ノッティンガム大学の研究者で、ブラックホール類似物を研究しているシルケ・ヴァインフルトナー氏は、ホーキング放射は実験的に生成できると考えているが、それが情報パラドックスの研究に使えるかどうかは確信が持てないという。
ボーズ・アインシュタイン凝縮体はホーキング放射を探すのに適した媒体だと彼女はThe Registerに語った。
シュタインハウアーの超流体は、ホーキング放射を観測するのに適した特性、すなわち冷たさを持っています。
あまりに寒いので、正確な温度測定は不可能だとスタインハウアー氏はThe Register紙に語った。「温度は飛び出す原子のエネルギーとして測定されますが、これほど寒いと原子は動きません。温度を生み出すのはフォノン、つまり音波だけです。」
彼は、超流動体が絶対零度（0ケルビン）（考えられる最低温度）よりほんの少しだけ高い温度であると推定することしかできない。
ホーキング放射は、宇宙マイクロ波背景放射に埋もれてしまうため、これまで解明されていませんでした。背景放射（ビッグバンから残されたエネルギー）の温度は約2.7ケルビンですが、ホーキング放射の温度はわずか1.2ナノケルビンです。
超流体中のホーキング放射で予測される量子もつれの効果を観察するには、2.7 ナノケルビン以下に冷却する必要があります。
ヴァインフルトナー氏は、「これは素晴らしい、そして将来有望な実験であり、前進と言えるでしょう。しかし、疑問の余地も残っており、ここでのホーキング放射が本当に量子効果によるものかどうかを確認するには、さらなる実験が必要です」と述べています。
「本物のブラックホールは蒸発してエントロピーを持つのに対し、アナログのブラックホールはそうではないので、これが情報パラドックスの研究に使えるかどうかは分かりません。重要なのはこうした違いなのです」と彼女はThe Register紙に語った。
イスラエルのワイツマン科学研究所の物理学教授、ウルフ・レオンハルト氏も同意見だ。同氏はレーザーを用いたホーキング放射の再現に関心を持っている。「この研究は先駆的な論文だが、データは矛盾しており不完全だ」と、同氏はThe Register紙に語った。®
