ブラックホールのホーキング輻射理論に関する超音速流アナログシミュレーターの開発

ブラックホールはそこから如何なるものも脱出できない時空である。ところがブラックホール時空に量子論を適用すると、ホーキング輻射という現象が起こっていることが証明されている。この現象は、ブラックホールからは光や粒子が放射されており、その粒子を遠方で観測すると、振動数の分布がプランク分布に従うという現象である。現実の宇宙では観測が実質上不可能なこの現象を「光波⇔音波」「時空の流れ⇔流体の流れ」という対応によって観測する。実際のブラックホールからの放射では、放出されるのは量子論的な粒子であり、ノズルで実現される古典的流れでそれを観測することは不可能である。そこで、非量子論的な対応物を次のように考える。下流から音波を発しながら、ノズルの流れの流速を速くしていくと、流れが音速を超えたとき音波は上流に伝わらなくなる。しかし、流れが音速になる瞬間にスロートを通過した音波は、ゆっくりではあるが上流に伝わる。この古典的な音波の振動数のパワースペクトル分布が、実際のブラックホールから放出される粒子数の分布に対応していることが、理論的に知られている。以上のような背景から、本研究では、ラバルノズル内での超音速流実験において、上流側で下流から伝わる音波を計測しホーキング輻射の対応物を実際に観測することを目的とした。本年度は、昨年度製作した蓄圧式の実験装置においては検出すべき信号に対してノイズが大きかったという問題点を克服するため種々の改善を行い、ホーキング輻射現象でも見られる「波の引き延ばし効果」を捉えることに成功し、次なる研究ステップへの足がかりとすることができた。

ブラックホールはそこから如何なるものも脱出できない時空である。ところがブラックホール時空に量子論を適用すると、ホーキング輻射という現象が起こっていることが証明されている。この現象は、ブラックホールからは光や粒子が放射されており、その粒子を遠方で観測すると、振動数の分布がプランク分布に従うという現象である。現実の宇宙では観測が実質上不可能なこの現象を「光波⇔音波」「時空の流れ⇔流体の流れ」という対応によって観測する。実際のブラックホールからの放射では、放出されるのは量子論的な粒子であり、ノズルで実現される古典的流れでそれを観測することは不可能である。そこで、非量子論的な対応物を次のように考える。下流から音波を発しながら、ノズルの流れの流速を速くしていくと、流れが音速を超えたとき音波は上流に伝わらなくなる。しかし、流れが音速になる瞬間にスロートを通過した音波は、ゆっくりではあるが上流に伝わる。この古典的な音波の振動数のパワースペクトル分布が、実際のブラックホールから放出される粒子数の分布に対応していることが、理論的に知られている。以上のような背景から、本研究では、ラバルノズル内での超音速流実験において、上流側で下流から伝わる音波を計測しホーキング輻射の対応物を実際に観測することを目的とした。本年度は、昨年度製作した蓄圧式の実験装置においては検出すべき信号に対してノイズが大きかったという問題点を克服するため種々の改善を行い、ホーキング輻射現象でも見られる「波の引き延ばし効果」を捉えることに成功し、次なる研究ステップへの足がかりとすることができた。