Учени са създали първата в света бомба на принципа на черна дупка в лаборатория

Когато британският физик Роджър Пенроуз през 1969 г. изказва предположението, че енергията може да бъде извлечена от въртяща се черна дупка, това дава тласък на половин век изследвания. Пенроуз предполага, че вътре в ергосферата – областта точно извън хоризонта на събитията на черната дупка – частиците могат да се разделят. Едни може да попаднат в черната дупка, носейки отрицателна енергия, докато други може да бъдат изстреляни, подсилени с допълнителна енергия.

Макар и странна, идеята се вписва идеално в Общата теория на относителността. Отрицателната енергия на погълнатите всъщност намалява масата и въртенето на черната дупка, позволявайки на изхвърлените да натрупат енергия, без да нарушават законите на физиката.

Няколко години по-късно, беларуският физик Яков Зелдович се запитва дали може да се имитира този космически феномен, без да е необходима истинска черна дупка. През 1971 г. той изказва предположението, че въртящ се метален цилиндър може да усилва вълните по подобен начин. Ако вълна с ъглов момент удари бързо въртящ се цилиндър, тя може да се отрази обратно по-силно – крадейки малко енергия от въртенето на цилиндъра.

Предположението на Зелдович става още по-смело, предполагайки цилиндърът да бъде ограден от огледало, което би могло да задейства обратна връзка, усилвайки малкия шум в мощен сигнал. Тази огледална конфигурация, създаваща "бомба" - аналог на черна дупка , по-късно е подкрепена с формули от Прес и Тюколски.

И все пак в продължение на десетилетия никой не е успял да го потвърди с електромагнитни вълни. Досега.

Концепция и схематично оформление на експеримента. Диаграма, показваща условието за усилване на Зелдович. За дадено входно поле, измерената амплитуда на изхода зависи от наличието на (абсорбиращия) метален цилиндър и скоростта му на въртене: без цилиндър няма ефект; с вътрешен цилиндър на място и въртящ се по-бавно от въртящото се електромагнитно поле, абсорбцията се увеличава; ако цилиндърът се върти по-бързо от електромагнитното поле, се получава усилване. Кредит: arXiv

Първа лабораторна "бомба" на принципа на черна дупка

Изследователи от Университета в Саутхемптън, водени от Хендрик Улбрихт (Hendrik Ulbricht), включително Марион Кромб (Marion Cromb), най-накрая постигнат това, което Зелдович си е представял. В нов експеримент учените изграждат въртяща се система, използвайки обикновен алуминиев цилиндър и трифазно магнитно поле. Системата създава специални условия, при които въртенето на цилиндъра може да усилва електромагнитните вълни.

Но те не спрират дотук. Чрез добавяне на резонансна верига – вид електромагнитно "огледало" – около цилиндъра, екипът наблюдава нещо необикновено. От само случаен фонов шум, електромагнитните вълни започват да стават все по-силни. Този неконтролируем растеж перфектно имитира какво би се случило близо до истинска бомба "черна дупка".

"Ние по същество генерираме сигнал от шум и това е същото нещо, което се случва и в предложението за бомба аналог на черна дупка", заявява Улбрихт.

Експериментът показва за първи път, че спонтанното усилване и експоненциалният растеж от шума, предсказани за въртящи се черни дупки, наистина могат да се случат - дори в лабораторен модел играчка.

Разгадаване на ефекта на Зелдович

Ефектът на Зелдович вдъхновява физиците. Ако въртящ се обект се движи по-бързо от честотата на входящото лъчение, енергията на вълните се променя по изненадващ начин. Те претърпяват ротационен Доплеров ефект, братовчед на познатия линеен Доплеров ефект, който кара сирената на линейка да се повишава или понижава тон, в зависимост дали се приближава или отдалечава от нас.

Както Кромб обяснява, "усуканите звукови вълни променят височината си, когато се измерват от гледна точка на въртящата се повърхност. Ако повърхността се върти достатъчно бързо, тогава звуковата честота може да премине от положителна към отрицателна и по този начин да открадне част от енергията от въртенето на повърхността."

В предишни изследвания екипът е тествал този ефект, използвайки звукови вълни. Те са отразили звука от въртящ се диск и е наблюдавана енергийната промяна, предсказана от теорията. Но прилагането на същия принцип към електромагнитните вълни е изисквало преодоляване на повече трудности.

Въртящо се магнитно поле и условия на усилване. Числено симулирани линии на полето вътре в намотките за 4 различни фазови стойности на тока P1 (P2 и P3 са забавени съответно с -120 и -240 градуса). Кредит: arXiv

При достатъчно бързо въртене на алуминиевия цилиндър, входящите усукани електромагнитни полета се изместват ротационно по Доплеров принцип в отрицателна честотна зона. Отрицателната честота означава отрицателно поглъщане, което се превръща в усилване.

"Ако хвърлите нискочестотна електромагнитна вълна срещу въртящ се цилиндър, кой би си помислил, че ще получите повече от това, което сте хвърлили? Това е напълно изумително", възхищава се на резултатите Витор Кардозу (Vitor Cardoso), физик от Университета в Лисабон, пред New Scientist.

Свързване на черни дупки, тъмна материя и откриване на частици

Последиците от експеримента се простират далеч отвъд лабораторните граници. Физиците смятат, че свръхизлъчването – процесът в основата на черната дупка – би могло да помогне за откриването на неизвестни частици, включително кандидати за тъмна материя.

"Свръхизлъчването превръща черните дупки в детектори на частици, а детектори на частици, много по-добри от [Големия адронен колайдер в] ЦЕРН, могат да бъдат за този тип тъмна материя", обяснява Кардозу.

Справка: Creation of a black hole bomb instability in an electromagnetic system; Marion Cromb, Maria Chiara Braidotti, Andrea Vinante, Daniele Faccio, Hendrik Ulbricht; https://arxiv.org/abs/2503.24034 

Източник: First ever 'black hole bomb' created in the lab,  New Scientist.

Още по темата

11/08/2023

Физика

Помни ли пространство-времето? Изследване на гравитационната памет

03/04/2023

Космос

Търсим черни дупки, по-стари от самата Вселена

01/06/2022

Космос

Ехото от Големия взрив

26/06/2020

Физика

Експеримент: Как да вземем енергия от черна дупка