RW Space

На протяжении десятилетий ученые решали сложную физическую задачу: могут ли огромные количества энергии, теоретически производимые черными дырами, когда-либо использоваться человечеством?

Если бы будущие общества каким-то образом смогли осуществить этот великий подвиг, казалось бы, было бы обеспечено снабжение энергией далеких галактических цивилизаций — и теперь у ученых есть новое объяснение того, как такое извлечение может однажды стать возможным.

«Черные дыры обычно окружены горячим «супом»из плазменных частиц, несущих магнитное поле, — объясняет астрофизик Лука Комиссо из Колумбийского университета.

«Наша теория показывает, что когда силовые линии магнитного поля разъединяются и снова соединяются правильным образом, они могут ускорять частицы плазмы до отрицательных энергий, и может быть извлечено большое количество энергии черной дыры».

Новая работа Комиссо, написанная в соавторстве с физиком Фелипе А. Асенхо из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили, представляет собой новую призму, позволяющую увидеть, как может работать извлечение энергии из черной дыры.

Учитывая их чрезвычайную массу, вполне естественно предположить, что черные дыры также содержат огромное количество энергии. К сожалению, все это заперто на «дне» пространства-времени.

Выдающийся физик и математик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз предложил один гениальный метод. В так называемом процессе Пенроуза энергия теоретически может быть извлечена из области за пределами горизонта событий черной дыры, называемой эргосферой, внутри которой пространство-время искажается под действием вращения черной дыры.

Расчеты Пенроуза показали, что если частица разделится на две части внутри эргосферы, одна из которых упадет в горизонт событий, а другая ускользнет от гравитационного притяжения черной дыры, энергию, выделяемую убегающим объектом, теоретически возможно извлечь.

Эта идея была экспериментально подтверждена учеными в статье, опубликованной всего несколько месяцев назад, но это не единственный предложенный способ использования энергии вращающейся черной дыры.

Излучение Хокинга, основанное на квантово-механическом излучении, представляет собой другой путь, известный как процесс Бландфорда – Знайека, в котором энергия может извлекаться электромагнитным путем через магнитное поле вокруг черной дыры.

В анализе Комиссо и Асенжо магнетизм также играет центральную роль — в частности, когда силовые линии магнитного поля разрываются и воссоединяются внутри эргосферы — но он также меняет некоторые идеи процесса Пенроуза.

Поскольку магнитные пересоединения происходят за пределами горизонта событий — частицы плазмы разгоняются до скоростей, приближающихся к скорости света, в двух разных направлениях — один поток плазмы может упасть в горизонт событий, а другой ускользнуть.

С точки зрения черной дыры падающая частица будет наделена отрицательным количеством энергии. Из-за пределов черной дыры выходящая частица будет иметь положительную энергию, которую можно заставить работать.

Используя этот метод, утекающие потоки плазмы с добавленной энергией теоретически могут служить практически безграничным источником свободной энергии, пока черная дыра продолжает поглощать плазму с отрицательной энергией.

«Мы подсчитали, что процесс возбуждения плазмы может достичь эффективности 150 процентов, что намного выше, чем у любой электростанции, работающей на Земле», — объясняет Асенжо.

«Достижение эффективности, превышающей 100 процентов, возможно, потому что черные дыры пропускают энергию, которая отдается плазме, покидающей черную дыру».

Хотя маловероятно, что мы когда-либо сможем как-то реально использовать эту энергию с практической точки зрения, это не означает, что исследование полностью бесполезно.

С астрономической точки зрения, это явление могло быть причиной вспышек черных дыр, представляющих собой огромные выбросы радиационной энергии, уходящие в космос.

«В отличие от процесса Бландфорда-Знайека, в котором извлечение вращательной энергии осуществляется с помощью чисто электромагнитного механизма, описанный здесь механизм извлечения энергии требует ненулевой инерции частиц», — пишут авторы.

«Этот механизм также отличается от оригинального процесса Пенроуза, поскольку для образования частиц с отрицательной энергией требуется диссипация магнитной энергии. Очевидно, что все механизмы извлекают энергию вращения черной дыры, питая черную дыру отрицательной энергией и угловым моментом».

Результаты представлены в Physical Review D.