Может ли чёрная дыра быть источником энергии?

Чёрная дыра
На этом изображении чёрная дыра MAXI J1820 + 070 поглощает материал соседней звезды и формирует аккреционный диск. Авторы и права: Aurore Simonnet / NASA’s Goddard Space Flight Center.

Мы знаем чёрные дыры как мощные сингулярности, области в пространстве-времени, где гравитация настолько велика, что ничто – даже сам свет – не может ускользнуть.

Около 50 лет назад британский физик Роджер Пенроуз предположил, что чёрные дыры могут быть источником энергии. Теперь исследователи из Университета Глазго в Шотландии продемонстрировали, что это возможно.

Марион Кромб – ведущий автор этого нового исследования, является аспирантами школы физики и астрономии Университета Глазго. Работа названная “Усиление волн от вращающегося тела” была опубликована в журнале Nature Physics.

“Мы очень рады, что смогли экспериментально проверить некоторые чрезвычайно странные физические явления спустя полвека после того, как теория была впервые предложена”, – сказал профессор Даниэле Фаччио.

Люди, интересующиеся космосом и наукой, знают, что у чёрных дыр есть сингулярность в самом центре и горизонт событий, граница, через которую ничто не может вернуться после её прохождения. Но у чёрных дыр есть и другие элементы в их сложной структуре. В новом исследовании была изучена эргосфера чёрной дыры.

Эргосфера – это внешняя область горизонта событий. В 1969 году Пенроуз предположил, что если вы опустите объект в эргосферу, то он сможет генерировать энергию.

Черная дыра
Чёрная дыра в представлении художника. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center.

В эргосфере объект не может стоять на месте из-за сил притяжения. Общая теория относительности предсказывает, что вращающаяся масса, подобная чёрной дыре, будет увлекать за собой соседнее пространство-время. Таким образом, любой объект, помещённый в эргосферу, начнёт двигаться, и остановить это будет невозможно.

Пенроуз сказал, что если объект упадёт в эргосферу, то он получит отрицательную энергию. Но если бы объект упал, а затем разделился на две части, то одна половина была бы поглощена чёрной дырой, а другая половина – нет. Если бы эта половина была восстановлена ​​из эргосферы, то она потеряла бы отрицательную энергию. Поскольку минус на минус дают плюс, то этот объект получил бы некоторую энергию от вращения чёрной дыры.

Ясно, что человеческая цивилизация в ближайшее время не предпримет попыток сделать это. Пенроуз сказал, что только высокоразвитая цивилизация может приблизиться к чему-то подобному. И даже тогда это будет весьма и весьма трудоёмкой задачей.

Но после того, как Пенроуз высказал эту идею, другой физик задумался над ней ещё раз. Яков Зельдович предположил, что эту идею можно проверить, посылая закрученные световые волны на поверхность вращающегося металлического цилиндра. Если послать их с правильной скоростью, то эти волны отразятся от цилиндра после получения дополнительной энергии от его вращения. Всё из-за странного свойства эффекта Доплера.

Галактика
Массивная чёрная дыра в центре спиральной галактики. Авторы и права: NASA.

Когда люди говорят об эффекте Доплера, они обычно имеют в виду линейный эффект Доплера. Часто используемый пример – сирена скорой помощи. Когда скорая помощь приближается к слушателю, звуковые волны сжимаются до более высокой частоты перед машиной скорой помощи, и слушатель слышит это как увеличение высоты звука. И наоборот, после того, как скорая помощь проезжает мимо слушателя, звуковые волны больше не сжимаются и слушатель слышит более низкий тон.

Идея, рассмотренная в новом исследовании включает в себя вращательный эффект Доплера.

То, что услышали учёные во время их эксперимента, было необычным.

Марион Кромб сказал: “Эффект Доплера при вращении ограничен круговым пространством. Искривлённые звуковые волны меняют высоту звука при измерении с точки зрения вращающейся поверхности. Если поверхность вращается достаточно быстро, тогда частота звука может делать что-то очень странное – она ​​может переходить от положительной частоты к отрицательной, и при этом отбирать некоторую энергию у вращающегося объекта”.

Во всяком случае, идея Зельдовича так и не была проверена. Проблема в том, что цилиндр должен вращаться с недостижимой скоростью в миллиарды оборотов в секунду, потому что сам свет распространяется так быстро. Это недостижимо для наших технологий.

Команда Университета Глазго придумала способ проверить это. Они посчитали, что всё это можно проверить с помощью звуковых волн, которые распространяются намного медленнее света. Это означает, что цилиндр должен будет вращаться с гораздо более меньшей, но достижимой скоростью.

В исследовании авторы писали: “Хотя усиление волн из-за вращающегося поглотителя очень трудно проверить с помощью оптических или электромагнитных волн, прямые измерения его возможны с использованием акустических волн”.

В своей лаборатории команда построила кольцо динамиков, которое могло создавать изгиб звуковых волн, аналогичный изгибу, необходимому для света в предложении Зельдовича.

Устройство включает кольца динамиков для создания искажённых звуковых волн. Эти волны направлены на вращающийся диск из пеноматериала, который поглощает звук. За поролоновым диском находится микрофон для измерения звука. Когда эксперимент начинается, скорость вращения диска из пеноматериала увеличивается.

Черная дыра
Сверхмассивная чёрная дыра в представлении художника. Авторы и права: NASA / JPL-Caltech.

Команда искала отчётливое изменение как частоты, так и амплитуды звука, когда звуковые волны проходили через диск из пеноматериала. Сначала, когда скорость вращающегося диска увеличивалась, высота звука становилась настолько низкой, что человек переставал слышать его. Затем высота или частота снова выросли. Звук снова достиг своей исходной высоты, но на этот раз амплитуда или громкость была увеличена на 30% выше исходной. Звуковые волны получили энергию от вращающегося диска.

“То, что мы услышали во время нашего эксперимента, было необычным”, – сказал Кромб. “Частота звуковых волн смещается до нуля по доплеровскому закону по мере увеличения скорости вращения. Затем звук возобновляется, из-за того, что волны смещаются с положительной частоты на отрицательную. Эти волны отрицательной частоты способны забирать часть энергии от вращающегося диска, становясь при этом громче – как и предположил Зельдович в 1971 году”.

Данный эксперимент показывает нам, что некоторые идеи могут казаться диковинными и сумасшедшими в определённый момент времени. Но спустя года они могут быть проверены. Так же, как, например, относительность и искривление света были проверены явлением гравитационного линзирования.


Больше информации: https://www.nature.com/
Присоединяйся

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.