Тънка е границата за черните дупки между фабрика за енергия и бомба

Ваня Милева Последна промяна на 02 февруари 2024 в 08:40 5664 0

Сянката на въртяща се и заредена черна дупка

Кредит Simon Tyran, CC BY-SA 4.0

Сянката на въртяща се и заредена черна дупка.

Черните дупки са могъщ източник на гравитационна енергия. Но как бихме могли да се възползваме от тази енергия? 

Три изследвания на тази тема са представени от астрофизика Брайън Кобърлайн (Brian Koberlein) в статия на Universe Today.

Със сигурност би могло да се извлече топлината и кинетичната енергия от акреционния диск и струите на черната дупка, но дори ако е  налице само черна дупка в празното пространство, все още може да се извлече енергия чрез т.нар. процес на Пенроуз.

Предложен за първи път от нобелиста Роджър Пенроуз през 1971 г., процесът представлява начин за извличане на енергията на въртенето от черна дупка. Използва се ефект, наречен "влачене на рамката", при който въртящото се тяло усуква близкото пространство по такъв начин, че обект, падащ към тялото, се повлича леко по пътя на въртенето.

Повече може да научите в "Усукванието на пространство-времето обяснява някои от най-ярките обекти във Вселената".

Геодезична прецесия и влачене на рамката. Кредит: Wikimedia Commons

Ефектът е наблюдаван дори в близост до Земята, въпреки че е малък. В близост до въртяща се черна дупка ефектът може да е огромен. Толкова силен, че в рамките на област, известна като ергосфера, обектите могат да бъдат повлечени около черната дупка със скорост, по-голяма от тази на светлината в свободното пространство.

Примерно, процесът на Пенроуз означава да навлезе тяло в ергосферата на бързо въртяща се черна дупка и след това да освободи малко маса или радиация от черната дупка. Полученият ротационен тласък отдалечава тялото от черната дупка по-бързо, отколкото се е приближило към нея. Допълнителната енергия, която получава, се балансира чрез забавяне на въртенето на черната дупка. Теоретично този процес може да извлече до 20 % от енергията на масата на черната дупка, което е огромно количество. За сравнение, при превръщането на водорода в хелий се получава само около 1 % от енергията на масата.

Траектории на тела в процес на Пенроуз. Кредит: Aleksandr Berdnikov, CC BY-SA 4.0

Ако може да се извлече 20 % от енергията на масата на черната дупка, защо да не може и повече? На това е посветена една неотдавнашна статия, макар че трябва да се отбележи, че тя се фокусира върху по-абстрактна идея за черна дупка, отколкото се наблюдава във Вселената.

Простите черни дупки могат да се характеризират с три неща: маса, въртене и електрически заряд. Черните дупки, които наблюдаваме, имат първите две, но тъй като материята е електрически неутрална, не и третата характеристика.

Тази статия е посветена на заредените черни дупки. Нашата Вселена също се разширява и може да бъде описана приблизително чрез решение на уравненията на Айнщайн, известно като пространство на де Ситер. То описва празна Вселена с положителна космологична константа.

Пространството на анти де Ситер (AdS - Anti-de Sitter) би било вселена с отрицателна космологична константа. Въпреки че AdS не описва нашата Вселена, то позволява няколко математически похвати, които теоретиците обичат, затова често се използва за изследване на границите на Общата теория на относителността. В тази статия се разглежда конкретно заредена черна дупка в анти-де Ситер пространство.

Повече за анти де Ситер пространството може да научите в "Хуан Малдасена: Илюзията гравитация".

Визуализация на пространството на анти де Ситер. Кредит: Alex Dunkel

Въпреки че това изследване е изцяло хипотетично, то е интересно като сценарий "какво - ако".

Вместо да извличат енергия от въртенето на черна дупка, авторите разглеждат въпроса как да извлекат енергия чрез разпадане на частици, използвайки ефекта на Банядос-Силк-Уест (BSW - Bañados-Silk-West). Използвайки някакъв вид електромагнитни или физически огледала за задържане, частиците могат да се отразяват напред-назад в близост до хоризонта на събитията, получавайки енергия от черната дупка, докато се разпаднат като използваема енергия.

Както показват авторите, проблемът с тази идея е, че това може да доведе до самоусилващ се ефект, при който енергията на частиците усилва енергията на частиците по принципа на обратната връзка, което води до така наречената черна дупка - бомба. Така че строежът на електроцентрала в близост до заредена черна дупка във вселена с анти-де Ситер пространство, трябва да се прави внимателно.

Но по-интересното е, че авторите са разгледали и случая на заредена черна дупка в иначе празна анти-де Ситерова вселена. В този случай от черната дупка също ще се извлича енергия. Вместо огледала самата структура на пространство-времето би действала като своеобразна вътрешно отразяваща камера. Така че заредената черна дупка ще освобождава енергия сама. Това би било подобно на лъчението на Хокинг, но в този случай то не разчита на квантовата гравитация. Освен това, този случай не води до създаването на черна дупка бомба, установяват авторите.

Както беше споменато по-рано, нищо от това не се отнася за реалните черни дупки в нашата Вселена. Доколкото ни е известно, процесът на Пенроуз е най-доброто, което реално би могло да се направи. Но изследвания като това са полезни, защото разкриват още нещо за фундаменталната природа на пространството и времето. 

Справка:

Penrose, Roger, and R. M. Floyd. “Extraction of rotational energy from a black hole.” Nature Physical Science 229.6 (1971): 177-179.

Feiteira, Duarte, José PS Lemos, and Oleg B. Zaslavskii. “Penrose process in Reissner-Nordström-AdS black hole spacetimes: Black hole energy factories and black hole bombs.” arXiv preprint arXiv:2401.13039 (2024).

De Sitter, Willem. “On the relativity of inertia. Remarks concerning Einstein’s latest hypothesis.” Proc. Kon. Ned. Acad. Wet 19.2 (1917): 1217-1225.

Източник: It's a Fine Line Between a Black Hole Energy Factory and a Black Hole Bomb, Brian Koberlein

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !