Спустя 50 лет: экспериментально доказано, что из черной дыры можно добыть энергию

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.

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.

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!

«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.

Источник: Science Alert, University of Glasgow.