Před padesáti lety anglický matematický fyzik a nositel Nobelovy ceny Roger Penrose navrhl, že energie by mohla být extrahována z prostoru kolem rotující černé díry. Tato oblast, známá jako ergosféra, leží těsně za horizontem událostí, hranicí, ve které nic nemůže uniknout gravitační síle černé díry (dokonce i světlu). Je to také zde, kde je dopadající hmota urychlována neuvěřitelnou rychlostí a vyzařuje všechny druhy energie.
Toto se stalo známým jako Penrosův proces , kterou od té doby mnoho teoretiků rozšířilo. Nejnovější pochází ze studie, kterou provedli vědci z Kolumbijské univerzity a Universidad Adolfo Ibáñez v Chile. S podporou organizací, jako je NASA, ukázali, jak nám lepší pochopení fyziky v práci kolem rotujících černých děr může umožnit jednoho dne využít jejich energii.
Studie s názvem „ Magnetické opětovné připojení jako mechanismus pro extrakci energie z rotujících černých děr ,“ dirigovali Luca Comisso a Felipe A. Asenjo. V něm navrhují novou metodu, pomocí které by mohla být energie z černé díry využita rozbitím a opětovným spojením siločar magnetického pole poblíž jejího horizontu událostí, hranice, ve které nic nemůže uniknout gravitační síle černé díry (ani světlo).
Umělcův dojem zobrazuje rychle rotující supermasivní černou díru obklopenou akrečním diskem. Kredit: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann
Jak vysvětlil Columbia News Comisso, vědecký pracovník na Kolumbijské univerzitě a první autor studie tisková zpráva :
„Černé díry jsou běžně obklopeny horkou ‚polévkou‘ plazmových částic, které nesou magnetické pole. Naše teorie ukazuje, že když se magnetické siločáry odpojí a znovu spojí tím správným způsobem, mohou urychlit částice plazmatu na negativní energie a lze extrahovat velké množství energie černé díry.
Zatímco Penrose v roce 1971 vyslovil teorii, že tento proces rozpadu částic může čerpat energii z černé díry, Stephen Hawking by to navrhl v roce 1974 že černé díry by mohly uvolňovat energii prostřednictvím kvantově mechanické emise (známé jako Hawkingovo záření). Toto bylo následováno Roger Blandford a Roman Znajek v roce 1977 navrhl, že elektromagnetický točivý moment byl hlavním činitelem získávání energie.
V zájmu své studie Comisso a Senjo zvažovali klíčovou část Penroseova procesu, což je způsob, jakým se magnetické siločáry rozpadají a znovu spojují v blízkosti horizontu událostí. To způsobí, že se dopadající hmota promění ve dva proudy nabitých částic (aka. plazma), z nichž jeden bude vytlačen proti rotaci černé díry a nabere zápornou energii hmoty, což způsobí, že spadne za horizont událostí do černé díry. .
Vizualizace ergosféry obklopující horizont událostí černé díry. Kredit: Visser. M. (2008)
Mezitím bude další proud plazmy poháněn stejným směrem jako rotace černé díry, což jí umožní nabrat další energii hmoty a uniknout do ergosféry. Uvnitř ergosféry je opětovné propojení magnetických siločar tak extrémní, že částice plazmatu jsou urychlovány na rychlosti blížící se rychlosti světla (aka. relativistické rychlosti).
To v podstatě znamená, že černá díra ztratí energii tím, že požírá částice záporné hmotnosti. A co víc, vysoká relativní rychlost mezi zachycenými a unikajícími proudy plazmy umožňuje proces, kdy lze z černé díry extrahovat obrovské množství energie. Jako Asenjo, profesor fyziky na Universidad Adolfo Ibáñez a spoluautor studie vysvětlil :
„Vypočítali jsme, že proces energizace plazmatu může dosáhnout účinnosti 150 procent, mnohem vyšší než jakákoli elektrárna provozovaná na Zemi. Dosažení účinnosti vyšší než 100 procent je možné, protože černé díry uvolňují energii, která je zdarma předávána plazmě unikajícím z černé díry.
I když to může znít jako sci-fi, je zcela možné, že budoucí generace budou hledat černé díry, aby uspokojily své energetické potřeby. A co víc, tvrdí Comisso a Asenjo, proces získávání energie již může probíhat s řadou černých děr v pozorovatelném vesmíru. To může být důvodem vzplanutí černých děr, což jsou silné záblesky záření, které lze detekovat ze Země.
Vůbec první snímek horizontu událostí obklopujícího supermasivní černou díru (SMBH), pořízený dalekohledem Event Horizon Telescope (EHT). Kredit: EHT Collaboration
„Za tisíce nebo miliony let by lidstvo mohlo být schopno přežít kolem černé díry, aniž by využívalo energii z hvězd,“ řekl Comisso. „Je to v podstatě technologický problém. Když se podíváme na fyziku, nic tomu nebrání.“
Ve skutečnosti je možné, že dostatečně pokročilé druhy v našem vesmíru již využívají černé díry pro svou neomezenou energii. Takový scénář byl nedávno navržen v a papír Marion Cromb , Ph.D. student astrofyziky z University of Glasgow's School of Physics and Astronomy. Je také součástí Hypotéza transcenze , navrhované usnesení k Fermiho paradoxu původně navržené Rogerem Smartem v roce 2002.
Kromě toho, že je to dokonalý zdroj energie, Smart také navrhl že černé díry by umožnily „transcendentním“ (supervyspělým) druhům vytvořit „výpočetně optimální doménu se stále hustší, produktivnější, miniaturizovanější a účinnější škálou prostoru, času, energie a hmoty“. Existuje dokonce možnost zkoumat alternativní fyzikální modely, cestovat v čase a vidět „zárodky“ nových vesmírů!
Existují také teorie o tom, jak by malé černé díry mohly být použity k pohonu mezihvězdných kosmických lodí (tzv pohon černých děr ), nebo jak by se horizont událostí mohl stát prostředkem pohonu ( Halo Drive ). Tato druhá myšlenka funguje v podstatě stejným způsobem jako a gravitační asistenční manévr , kde by kosmická loď využila horizontu událostí rotující černé díry k vystřelení směrem ke vzdáleným hvězdám rychlostí blížící se rychlosti světla.
Poděkování: NASA/Goddard Media Studios
Mezitím jsou však studie, jako je tato, součástí rostoucí snahy rozšířit naše znalosti o černých dírách a exotické fyzice, které se odehrávají v jejich blízkosti. Jako Asenjo uvedeno Teoretické studie fyziky černých děr jsou zvláště důležité v době, kdy globální úsilí, jako je např Horizontální dalekohled událostí (EHT) umožňují pořídit první snímky černých děr:
'Naše rozšířené znalosti o tom, jak dochází k magnetickému opětovnému spojení v blízkosti černé díry, mohou být zásadní pro směrování naší interpretace současných a budoucích pozorování černých děr dalekohledem, jako jsou pozorování dalekohledem Event Horizon Telescope.'
Studie, která se nedávno objevila ve vědeckém časopise Fyzický přehled D , bylo možné díky finančním prostředkům poskytnutým NASA, Chile Národní fond pro vědeckotechnický rozvoj (FONDECYT) a National Science Foundation (NSF) Windows ve vesmíru iniciativa – program syntézy, jehož cílem je sjednotit teoretickou fyziku a pozorovací astronomii pod jednu střechu a odpovědět na některé z nejzásadnějších otázek.
Další čtení: Columbia News , Fyzický přehled D