Гравитационное линзирование, фотонная сфера… Это кажется совершенно нереализуемым на Земле и возможным только на очень отдалённых астрономических объектах. Тем не менее поведение света в окрестностях таких тел можно воспроизвести и в земных условиях.

В Национальной лаборатории микроструктур твёрдого тела (КНР) создано небольшое лабораторное устройство, способное заставить свет моделировать поведение излучения в районе чёрной дыры (ЧД).

Рис. 1. Оптический аналог чёрной дыры, построенный в лабораторных условиях (здесь и ниже иллюстрации S.N. Zhu et al.).

Суть идеи, которая лежит в основе модели чёрной дыры, предложенной группой Шинин Чжу (Shining Zhu), весьма проста. Разные материалы по-разному преломляют свет. Взяв пенополистироловый шарик, физики покрывали его слоем с постоянно изменяющимся коэффициентом преломления. Материал применялся один и тот же — полиметилметакрилат (оргстекло), но из-за разной толщины покрытия в разных точках поверхности микросферы коэффициент преломления всё же колебался, позволяя добиться нужного эффекта.

Учёные рассчитали изменения коэффициента таким образом, чтобы луч, падающий на поверхность, описывал полный круг по шарику, и последний становился как будто искажаемым объектом, встретившим на своём пути свет.

При этом, кроме гравитационного линзирования, в оптическом волноводе вокруг микросферы удалось продемонстрировать формирование чего-то вроде фотонной сферы чёрных дыр — области пространства за пределами горизонта событий ЧД.

Удалённость фотонной сферы от самой ЧД равна удалённости горизонта событий, увеличенной в полтора раза, но уже на этом расстоянии на фотоны действует мощнейшая гравитация, в силу чего они вращаются только по круговым орбитам. Иногда частицы могут вырываться с этих орбит или же окончательно проваливаться за горизонт событий.

Кажется, устройство, которое сами экспериментаторы нацеливают в первую очередь на задачи моделирования поведения света в окрестностях ЧД, не должно позволять однажды попавшему на него свету вырваться наружу — как настоящая чёрная дыра. Но чтобы облегчить использование установки, учёные нанесли на поверхность микросферы квантовые точки, поглощающие часть «затянутого» аналогом чёрной дыры света и затем переиспускающие его в виде более красного излучения.

Вот так и удалось смоделировать процесс гравитационного линзирования, вместо того чтобы просто продемонстрировать явление, слабо отличимое от обычного поглощения света.

Рис. 2. Искажения света в районе ЧД в теории (справа) и на практике (слева).

Схема, повторим, очень простая, но и весьма элегантная. И, похоже, она действительно впервые позволяет увидеть в лаборатории поведение довольно сложного космического объекта.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Photonics, а его препринт доступен на сайте arXiv.