Экспериментально доказано, что из черной дыры можно добыть энергию

Наконец-то получил экспериментальное подтверждение предложенный полвека назад теоретический метод добычи энергии из вращающейся черной дыры.

Конечно, ученые использовали не настоящую черную дыру, а аналоги всех «ингредиентов», необходимых для процесса Пенроуза.

Вряд ли нам удастся когда-либо воплотить этот процесс в реальности, но исследование отлично показывает, как самые необычные теоретические идеи могут помочь нам изучить истинные физические свойства пока что недосягаемых объектов Вселенной.

Экспериментально доказано, что из черной дыры можно добыть энергию

Черные дыры не нуждаются в представлении. Вам известно, что они появляются из останков массивных звезд после того, как те вспыхивают сверхновыми. Саму «черную дыру» мы увидеть не можем, так как не можем заглянуть дальше горизонта событий – невидимой границы, за которой притяжение дыры настолько велико, что даже свет не способен вырваться.

С внешней стороны горизонта событий притяжение тоже сильно. Пространство-время там изгибается, и возникает эффект Лензе—Тирринга, или увеличение инерциальных систем отсчета. На любой попавший в эту зону объект действует дополнительная сила ― гравимагнитная ― которая изменяет плоскость орбиты объекта. Именно этой силой ученые объясняют образование джетов.

В 1969 году физик-математик Роджер Пенроуз предположил, что из этого региона вблизи горизонта событий ― эргосферы ― можно «добывать» энергию.

По расчетам Пенроуза, если падающий в эргосферу объект разделить на две части, то одна из них упадет в дыру, а вот другая ускорится и сможет покинуть окрестности черной дыры. В результате эта вторая часть вылетит из эргосферы, имея на 21% больше энергии, чем имела при входе.

Мы пока что не можем протестировать эту идею на настоящей черной дыре. Но в 1971 году советский физик Яков Зельдович предложил более реалистичный эксперимент, в котором черную дыру следовало заменить вращающимся металлическим цилиндром, а падающие объекты ― лучами света.

Если цилиндр будет вращаться с правильной скоростью, то отраженный свет будет иметь больше энергии. Эту энергию свет вытянет из вращения цилиндра (вращательный эффект Доплера, rotational Doppler effect).

В предложении Зельдовича была лишь одна проблема ― требовалась очень высокая скорость вращения цилиндра, как минимум миллиард поворотов в секунду. Поэтому никто не брался такой эксперимент провести.

Но вот команда физиков из Школы физики и астрономии Университета Глазгоу (Шотландия) разработали аналогичный эксперимент, в котором они использовали звуковые волны.

Экспериментально доказано, что из черной дыры можно добыть энергию

Роль черной дыры выполнял вращающийся диск из пены, который ускорялся, когда в него попадали волны. Звуковые волны посылались вращающимся кольцом колонок. Микрофоны были установлены на обратной стороне диска.

Чтобы доказать «процесс Пенроуза», ученые должны были уловить изменения в высоте звука и амплитуде волн после их прохождения через диск.

Результаты всех поразили. С ускорением вращения диска высота звука сначала снизилась, а потом выросла до прежних значений, но стала на 30% громче! Звуковые волны забирали энергию у вращающегося диска!

Экспериментально доказано, что из черной дыры можно добыть энергию

«Вот, что происходит. С ростом скорости вращения диска мы наблюдаем доплеровский сдвиг частоты звуковых волн к нулю. А потом звук начинает нарастать, потому что волны сдвинулись с положительной частоты на отрицательную. Эти волны отрицательной частоты способны забирать чуть больше энергии от вращения диска, и поэтому они становятся громче ― как Зельдович предсказывал в 1971 году», ― рассказывает физик и астроном Марион Кромб (Marion Cromb ), ведущий автор статьи.

Сейчас команда разрабатывает способы провести такой эксперимент для электромагнитных волн – света.

Такие исследования не только нужны для пополнения наших знаний о космосе, но и нередко приводят к появлению новых технологий. В данном случае нужно лишь научиться использовать этот любопытный феномен.


Исследование было опубликовано в Nature Physics. DOI:10.1038/s41567-020-0944-3
Источник: Science Alert, University of Glasgow.