Θα μπορούσαν οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες να είναι οι ανεμογεννήτριες που τροφοδοτούν το μακρινό μέλλον;

Η συνεργασία του Event Horizon Telescope (EHT), που παρήγαγε την πρώτη εικόνα της μαύρης τρύπας του Γαλαξία μας που κυκλοφόρησε το 2022, απαθανάτισε μια νέα άποψη του τεράστιου αντικειμένου στο κέντρο του Γαλαξία μας: πώς φαίνεται στο πολωμένο φως. Αυτή είναι η πρώτη φορά που οι αστρονόμοι μπόρεσαν να μετρήσουν την πόλωση, μια υπογραφή των μαγνητικών πεδίων, τόσο κοντά στην άκρη του Τοξότη Α*. Αυτή η εικόνα δείχνει την πολωμένη άποψη της μαύρης τρύπας του Γαλαξία. Οι γραμμές που επικαλύπτονται σε αυτήν την εικόνα σηματοδοτούν τον προσανατολισμό της πόλωσης, που σχετίζεται με το μαγνητικό πεδίο γύρω από τη σκιά της μαύρης τρύπας. | Φωτογραφία: Reuters

Οι μαύρες τρύπες είναι μυστηριώδη αντικείμενα – υπάρχουν πολλά που δεν γνωρίζουμε για αυτές. Ένα μακροχρόνιο ερώτημα ήταν εάν οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες, οι οποίες είναι τόσο ισχυρές που σέρνουν τον χωροχρόνο μαζί τους, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας.

Ο φυσικός Ρότζερ Πένροουζ πρότεινε ότι, εάν ένα αντικείμενο έπεφτε σε μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα με τέτοιο τρόπο ώστε να χωριστεί – με το ένα μέρος να διαφεύγει – το τμήμα που έφυγε θα πρέπει να αποκτήσει αποτελεσματικά ενέργεια από τη μαύρη τρύπα.

Έτσι, εάν στείλαμε αντικείμενα ή φως προς μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, μπορεί να μπορέσουμε να πάρουμε πίσω ενέργεια. Ωστόσο, είναι δύσκολο να αποδειχθούν ευθέως όλα αυτά. Αλλά πρόσφατα δημοσιεύσαμε τη δεύτερη μελέτη μας, στο Nature Communications, επαληθεύοντας πειραματικά μια πιο γενική θεωρία πίσω από αυτήν. Αυτή η θεωρία αφορά όλα τα περιστρεφόμενα αντικείμενα που μπορούν να απορροφήσουν ύλη ή ακτινοβολία και μια μαύρη τρύπα είναι, στην ουσία, απλώς ένας πολύ μεγάλος και αποτελεσματικός απορροφητής.

Η ιδέα χρονολογείται από το 1971 και τον Σοβιετικό φυσικό Yakov Zel’dovich. Γενικεύοντας την ιδέα του Penrose, προέβλεψε κάτι πολύ απλό. Εάν πάρετε έναν κύλινδρο που απορροφά ενέργεια από τα κύματα και τον περιστρέψετε, τότε θα πρέπει να ξοδέψει τη δική του ενέργεια για να ενισχύσει ορισμένα κύματα (ενισχύοντας την ενέργειά τους).

Αυτό θα ίσχυε για κύματα που είχαν τη δική τους εγγενή περιστροφή (γνωστή ως γωνιακή ορμή) στην ίδια κατεύθυνση με τον κύλινδρο και είχαν αρκετά χαμηλή συχνότητα σε σχέση με τον ρυθμό περιστροφής του κυλίνδρου.

Η πρόταση του Zel’dovich με τη σειρά της ενέπνευσε τη διάσημη ιδέα του Stephen Hawking ότι οι μαύρες τρύπες πρέπει να ακτινοβολούν αργά την ενέργειά τους, ενισχύοντας τα φωτόνια από το κβαντικό κενό.

Δύσκολο πείραμα

Παρά την απλότητα του φαινομένου Zel’dovich και τη βασική του σχέση με τη θεμελιώδη φυσική, αυτό το φαινόμενο δεν είχε δοκιμαστεί άμεσα μέχρι πρόσφατα.

Η συνθήκη του Zel’dovich για ενίσχυση ήταν γενική, αλλά η περιγραφή του για ένα υποθετικό σύστημα που θα μπορούσε να δείξει ένα τέτοιο αποτέλεσμα ήταν αρκετά συγκεκριμένη. Περιλάμβανε κύματα που ταξίδευαν σε ελεύθερο χώρο (με την ταχύτητα του φωτός) με έναν τύπο γωνιακής ορμής γνωστής ως OAM, συντομογραφία της τροχιακής γωνιακής ορμής, (που σημαίνει ότι οι δέσμες φωτός ήταν στριμμένες) και χτυπούσαν έναν ταχέως περιστρεφόμενο κύλινδρο.

Αλλά αυτό υποδηλώνει ότι το φαινόμενο ενίσχυσης θα ήταν μικροσκοπικό, γιατί εκτός εάν ο κύλινδρος μπορούσε να περιστραφεί με ταχύτητα συγκρίσιμη με αυτή του φωτός –μια κατασκευή που θα ήταν μηχανικά αδύνατη σήμερα– τα κύματα OAM που θα μπορούσαν να ανταποκριθούν στην προϋπόθεση θα απλώνονταν σε μια περιοχή. μεγάλο ότι ο κύλινδρος θα βρισκόταν σε (αυτό που ονόμασε ο Ζελντόβιτς) μια «ζώνη χωρίς κύμα» – δεν θα αλληλεπιδρούσε σχεδόν καθόλου με τα κύματα.

Εξαιτίας αυτού, εσφαλμένα θεωρήθηκε ότι ήταν βασικά μη παρατηρήσιμο σε πειράματα.

Σκληρή απόδειξη

Αυτό μέχρι να καταλάβουμε ότι το φαινόμενο θα πρέπει να εμφανίζεται και στα ηχητικά κύματα, τα οποία ταξιδεύουν πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Χρησιμοποιώντας ηχητικά κύματα με τροχιακή γωνιακή ορμή, το 2020 δείξαμε ενίσχυση Zel’dovich για πρώτη φορά σε ένα πείραμα.

Αφού δείξαμε ότι το φαινόμενο υπήρχε σε ένα σύστημα, σκεφτήκαμε ότι μια ηλεκτρομαγνητική έκδοση μπορεί να μην είναι τόσο σκληρή τελικά. Καταφέραμε να άρουμε τους προηγούμενους περιορισμούς παγιδεύοντας το ηλεκτρομαγνητικό κύμα σε ένα κύκλωμα συντονισμού και όχι σε ελεύθερο χώρο. Τα ταλαντευόμενα κύματα στο μοναδικό μας κύκλωμα δεν είχαν τροχιακή γωνιακή ορμή, αλλά περιείχαν έναν άλλο τύπο γωνιακής ορμής, που ονομάζεται «σπιν».

Με αυτό το κύκλωμα, θα μπορούσαμε να διοχετεύσουμε το ταλαντούμενο μαγνητικό τμήμα του κύματος μέσα από μια μικρή περιοχή όπου τοποθετήσαμε έναν περιστρεφόμενο κύλινδρο αλουμινίου. Στη συνέχεια μετρήσαμε πώς άλλαξε η ισχύς στο κύκλωμα με την ταχύτητα περιστροφής του κυλίνδρου. Εάν ο κύλινδρος απορροφούσε το πεδίο, λειτουργούσε ως κανονική θετική αντίσταση στο κύκλωμα, εξαντλώντας την ισχύ. Εάν ενίσχυε το πεδίο, λειτουργούσε ως αρνητική αντίσταση – ως πηγή ενέργειας.

Βρήκαμε ότι η ενίσχυση του πεδίου από τον κύλινδρο ήταν ακριβώς όπως είχε προβλεφθεί από την κατάσταση του Zel’dovich – που σημαίνει ότι είχαμε αποδείξει την επίδραση στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα για πρώτη φορά.

Δοκιμάζοντας αυτό το πείραμα βρήκαμε επίσης κάτι απροσδόκητο. Ο τρόπος με τον οποίο αυτός ο κύλινδρος δημιουργεί αρνητική αντίσταση και ενισχύει το περιβάλλον κύκλωμα όταν περιστρέφεται αρκετά γρήγορα είναι πολύ παρόμοιος με τον τρόπο που οι ανεμογεννήτριες παράγουν ενέργεια.

Μέσα σε μια ανεμογεννήτρια υπάρχει μια γεννήτρια επαγωγής, όπου στέλνεται ένα εναλλασσόμενο ρεύμα για να δημιουργήσει ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο γύρω από τον ρότορα. Και όταν τα πτερύγια του ρότορα περιστρέφονται πιο γρήγορα από το περιβάλλον περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, το ρεύμα ενισχύεται και παράγεται ενέργεια.

Ενώ υπάρχει και άλλη φυσική που εμπλέκεται στις σύγχρονες γεννήτριες επαγωγής, εξακολουθεί να είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι όλα τα συστατικά για την απόδειξη του φαινομένου Zeldovich με τον ηλεκτρομαγνητισμό κρύβονταν σε κοινή θέα για τόσο καιρό.

Αυτός ο σύνδεσμος που ανακαλύψαμε με τις γεννήτριες επαγωγής θα μας επιτρέψει να βελτιστοποιήσουμε αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά πειράματα για να δοκιμάσουμε περαιτέρω το φαινόμενο Zel’dovich, στηριζόμενοι στα πολλά χρόνια μηχανικής που έχουν καταβάλει για να βελτιώσουν την τεχνολογία του κινητήρα και της γεννήτριας.

Ίσως η γνώση αυτής της σύνδεσης με το φαινόμενο Zeldovich να πάει και αντίστροφα, παρέχοντας στους μηχανικούς μια νέα προοπτική φυσικής για να αξιοποιήσουν την παραγωγή ενέργειας.

Αυτό το πείραμα, που δείχνει ότι το φαινόμενο Zel’dovich υπάρχει στον ηλεκτρομαγνητισμό, ξεκλειδώνει επίσης τη δυνατότητα να δούμε το φαινόμενο σε κβαντικό επίπεδο. Η κβαντική θεωρία μας λέει ότι ο κενός χώρος δεν είναι κενός – έχει κάποιες διακυμάνσεις.

Οποιοδήποτε φαινόμενο ενίσχυσης θα πρέπει επίσης να μπορεί να ενισχύει τέτοιες διακυμάνσεις ενέργειας σε πραγματικά φωτόνια – δημιουργώντας ύλη από ένα κβαντικό πεδίο. Αυτό θα σήμαινε ότι ένας περιστρεφόμενος κύλινδρος, ακόμη και απουσία όλων των άλλων δυνάμεων, θα επιβραδύνει σταδιακά λόγω αυτής της διαδικασίας.

Όσο για τις μαύρες τρύπες, οι επιπτώσεις είναι συναρπαστικές. Ίσως στο μέλλον, η αξιοποίηση της περιστροφής των μαύρων οπών θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία της τεχνολογίας ή των διαστημοπλοίων.

Κάποιοι έχουν προτείνει συνθήκες που θα δημιουργούσαν ένα απρόσμενο φαινόμενο παραγωγής ενέργειας που ονομάζεται «βόμβα μαύρης τρύπας». Με βελτιώσεις στο πείραμά μας, ελπίζουμε να δοκιμάσουμε επίσης αυτήν την ανεξέλεγκτη ενίσχυση για το φαινόμενο Zeldovich.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.