هیدروفیزیک

هیدروفیزیک

تشکیل سیاه‌چاله‌های آنالوگ به عنوان سامانه‌های جاذب امواج از طریق جریان‌های گردابه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مسلم شفیعی 1
حمید بیگدلی 2
اکبر اصغرزاده بناب 2
1 گروه ریاضی‌فیزیک، پژوهشکده ریاضی ماهانی، دانشگاه شهید باهنر، کرمان، ایران.
2 گروه مطالعات علم و فناوری، پژوهشکده جنگ، دانشگاه فرماندهی و ستاد آجا، تهران، ایران.
چکیده
مطالعه ساختار سیاه‌چاله‌های آنالوگ نشان می‌دهد که انتشار امواج در حضور آنان با محدودیت‌های بسیار شدیدی همراه است و جریان‌های گردابه‌ای در داخل یک سیال، آنالوگی از سیاه‌چاله‌های چرخان به وجود می‌آورند به‌طوری‌که با تشکیل یک افق رویداد آکوستیکی مانع از ادامه انتشار امواج می‌شوند. در این پژوهش، با بررسی حرکت امواج در یک سیال با جریان گردابه‌ای ملاحظه می‌شود که سرنوشت نهایی موج به عوامل متعددی ازجمله زاویه ورودی و میزان چرخش سیاه‌چاله بستگی دارد. در حالت کلی، امواج یا جذب می‌شوند و یا اینکه توسط نیروی چرخشی سیاه‌چاله پراکنده خواهند شد. چرخش سیاه‌چاله باعث می‌شود تا امواج تکانه زاویه‌ای کسب کنند، حتی درصورتی‌که در ابتدا تکانه زاویه‌ای نداشته باشند. نشان داده می‌شود که احتمال جذب امواج ناهمسوگرد به نسبت امواج همسوگرد بیشتر است، درحالی‌که احتمال پراکندگی امواج همسوگرد بیشتر از امواج ناهمسوگرد است. با محاسبه پارامتر تأثیر بحرانی، میزان جذب یا پراکنده شدن امواج با توجه به شرایط اولیه موج ورودی و ویژگی‌های سامانه بررسی و مشخص خواهد شد.
کلیدواژه‌ها
سیاه‌چاله آنالوگ
افق رویداد آکوستیکی
جریان گردابه‌ای
جذب موج

موضوعات

عنوان مقاله English

Formation of Analogue Black Holes as Wave-Absorbing Systems via Vortex Flows

نویسندگان English

Moslem Shafiee 1
Hamid Bigdeli 2
Akbar Asgharzadeh-Bonab 2
1 Mahani Mathematical Research Institute, Shahid Bahonar University, Kerman, Iran.
2 Department of Science and Technology, Faculty of War, AJA Command and Staff University, Tehran, Iran.
چکیده English

The study of analogue black hole structures reveals that wave propagation in their presence is subject to significant constraints. Vortex flows within a fluid generate analogues of rotating black holes by forming an acoustic event horizon that prevents further wave propagation. In this research, we analyze wave dynamics in a fluid with vortex flow and observe that the ultimate fate of the waves depends on multiple factors, including the angle of incidence and the black hole’s rotation rate. Generally, waves are either absorbed or scattered by the black hole’s rotational forces. The black hole’s rotation imparts angular momentum to the waves, even if they initially possess none. Our results demonstrate that counter-rotating waves have a higher probability of absorption compared to co-rotating waves, whereas co-rotating waves are more likely to be scattered than counter-rotating ones. By calculating the critical impact parameter, we quantify the extent of wave absorption or scattering based on the initial conditions of the incoming wave and the system’s characteristics.

کلیدواژه‌ها English

Analogue Black Hole
Acoustic Event Horizon
Vortex Flow
Wave Absorption
[1] Du J, Li T, Xu Z, Tang J, Qi Q, Meng F. Structure–activity relationship in microstructure design for electromagnetic wave absorption applications. Small Structures. 2023 Nov;4(11):2300152.
[2] Li J, Zhou D, Wang PJ, Du C, Liu WF, Su JZ, Pang LX, Cao MS, Kong LB. Recent progress in two-dimensional materials for microwave absorption applications. Chemical Engineering Journal. 2021 Dec 1;425:131558.
[3] Qu S, Sheng P. Microwave and acoustic absorption metamaterials. Physical Review Applied. 2022 Apr 1;17(4):047001.
[4] Sharma S, Sudhakara P, Singh J, Singh S, Singh G. Emerging progressive developments in the fibrous composites for acoustic applications. Journal of Manufacturing Processes. 2023 Sep 29;102:443-77.
[5] Horstmann B, Reznik B, Fagnocchi S, Cirac JI. Hawking radiation from an acoustic black hole on an ion ring. Physical review letters. 2010 Jun 25;104(25):250403.
[6] Lahav O, Itah A, Blumkin A, Gordon C, Rinott S, Zayats A, Steinhauer J. Realization of a sonic black hole analog in a Bose-Einstein condensate. Physical review letters. 2010 Dec 10;105(24):240401.
[7] Leonhardt U, Philbin TG. The case for artificial black holes. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2008 Aug 28;366(1877):2851-7.
[8] Patrick S, Goodhew H, Gooding C, Weinfurtner S. Backreaction in an analogue black hole experiment. Physical Review Letters. 2021 Jan 29;126(4):041105.
[9] Pelat A, Gautier F, Conlon SC, Semperlotti F. The acoustic black hole: A review of theory and applications. Journal of Sound and Vibration. 2020 Jun 23;476:115316.
[10] Hobson MP, Efstathiou GP, Lasenby AN. General relativity: an introduction for physicists. Cambridge university press; 2006 Feb 2.
[11] Unruh WG. Experimental black-hole evaporation?. Physical Review Letters. 1981 May 25;46(21):1351.
[12] Rieutord M. Fluid dynamics: an introduction. Springer; 2014 Dec 26.
[13] White FM. Fluid mechanics 8th edition.
[14] Berti E, Cardoso V, Lemos JP. Quasinormal modes and classical wave propagation in analogue black holes. Physical Review D—Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology. 2004 Dec 15;70(12):124006.
[15] Press WH, Teukolsky SA. Floating orbits, superradiant scattering and the black-hole bomb. Nature. 1972 Jul 28;238(5361):211-2.
[16] Richartz M, Weinfurtner S, Penner AJ, Unruh WG. Generalized superradiant scattering. Physical Review D—Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology. 2009 Dec 15;80(12):124016.
[17] Cardoso V, Lemos JP, Yoshida S. Quasinormal modes and stability of the rotating acoustic black hole: Numerical analysis. Physical Review D—Particles, Fields, Gravitation, and Cosmology. 2004 Dec 15;70(12):124032.
[18] Chakraborty C, Majumdar P. Spinning gyroscope in an acoustic black hole: precession effects and observational aspects. The European Physical Journal C. 2020 Jun;80(6):493.
[19] Torres T, Patrick S, Coutant A, Richartz M, Tedford EW, Weinfurtner S. Observation of superradiance in a vortex flow. arXiv preprint arXiv:1612.06180. 2016 Dec 19.
[20] Hawking SW. Black hole explosions?. Nature. 1974 Mar 1;248(5443):30-1.
[21] Hawking SW. Particle creation by black holes. Communications in mathematical physics. 1975 Aug;43(3):199-220.
[22] Steinhauer J. Observation of self-amplifying Hawking radiation in an analogue black-hole laser. Nature Physics. 2014 Nov;10(11):864-9.
[23] Steinhauer J. Observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole. Nature Physics. 2016 Oct;12(10):959-65.
[24] Muñoz de Nova JR, Golubkov K, Kolobov VI, Steinhauer J. Observation of thermal Hawking radiation and its temperature in an analogue black hole. Nature. 2019 May 30;569(7758):688-91.
[25] Shafiee M. Correction to black hole radiation due to pair annihilation. Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2022 Mar;2022(3):033E03.
[26] Shafiee M, Bahrampour Y. Quantum vacuum effects on the formation of black holes. Journal of High Energy Physics. 2023 Jun;2023(6):1-8.

  • تاریخ دریافت 18 اسفند 1403
  • تاریخ بازنگری 15 خرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 21 خرداد 1404