06 август 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Експеримент: Как да вземем енергия от черна дупка

След 50 години експериментално бе показано, че може енергия да бъде извлечена от черна дупка

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 26 юни 2020 в 10:01 54780
Черната дупка M87 *, с маса, еквивалентна на 6,5 милиарда слънчеви маси, която се намира в центъра на огромната елиптична система M87 в средата на галактиката Дева, снимката на която за пръв път видяхме на 10 април 2019 г., е въртящата се черна' Извън външния хоризонт за събитията има област, наречена ергосфера. Там самото пространство се върти около черната дупка със скоростта на светлината - това е буквално, не само частиците, попадащи там, са подложени на огромни ускорения, а самото пространство.
Кредит: EHT Collaboration

Преди 50 години Роджър Пенроуз запозна света с идея, описваща начина, по който извънземните цивилизации биха могли да получават енергия от черни дупки.

Сега, след половин век теоретични търсения, използвайки аналог на необходимите компоненти, физиците показаха, че процесът на Пенроуз наистина е правдоподобен механизъм за извличане на част от тази енергия на въртене - ако изобщо човечеството успее да разработи такива средства.

През 1969 г. британският физик и математик Роджър Пенроуз предлага теория, която описва как може да се извлече енергия от въртяща се черна дупка. Той предполага, че може да бъде генерирана енергия като се пусне обект в ергосферата на черната дупка - външния слой на хоризонта на събитията. В тази област самото пространство се върти около черната дупка със скоростта на светлината - това е буквално, не само частиците, попадащи там, са подложени на огромни ускорения, а самото пространство. Това се нарича още ефект на Лензе-Тиринг (Lense-Thirring effect) или увличане на инерциална отправна система.

Структура на въртяща се черна дупка. Кредит: K.A.I.L. WIJEWARDENA GAMALATH

Обект, попаднал в ергосферата, ще бъде принуден да се движи по-бързо от скоростта на светлината, за да остане неподвижен, пише Phys.org. Пенроуз предсказа, че обектът ще придобие отрицателна енергия в тази необичайна зона на пространство.

Ако някакъв обект се раздели на две части, така че едната да падне в дупката, а втората да се издигне, отскокът ще доведе до загуба на отрицателната енергия - всъщност връщащата се половинка ще акумулира енергията на въртене на черната дупка.

Името ергосфера, предложено от Ремо Руфини (Remo Ruffini) и Джон Уилър (John Wheeler) по време на лекция през 1971 г., съдържа гръцката дума "ерго", която означава "работа". Тя получава това име, защото теоретично е възможно да се извлича енергия и маса от тази област. Анимацията показва тестова частица, приближаваща се към ергосферата в ретроградна посока, която е принудена да промени посоката си на движение. Кредит: Wikimedia Commons

Едната част от обекта трябва да полети в утробата на черна дупка. Енергията на това отдаване ще даде първичен импулс на половината от обекта, който ще се запази в ергосферата. Придвижвайки се във въртящия се външен участък на черната дупка, оцелялата част ще бъде ускорена навън, с допълнителен импулс от черната дупка. Ако всичко върви точно както трябва, тази половинка ще излезе от ергосферата с около 21% повече енергия, отколкото е влязла.

Но трябва ли да стигнем до черна дупка, за да тестваме тази идея?

През 1971 г. съветският физик Яков Зелдович предлага по-практичен експеримент, който може да потвърди теорията на Пенроуз. Зелдович предлага да се „усучат“ светлинни вълни в бързо въртящ се метален кух цилиндър. Ако цилиндърът се върти с определена скорост, светлинните вълни ще се отразяват обратно с допълнителна енергия, извлечена от въртенето на цилиндъра, поради така наречения ротационен доплеров ефект.

Затова скоростта на въртене на цилиндъра трябва да е много по-висока от честотата на трептене на светлината. Възможностите по онова време не позволяват изграждането на такава инсталация, тъй като цилиндърът трябваше да се върти поне милиард пъти в секунда. Затова Роджър Пенроуз преди 50 години предположи, че само представители на извънземна високотехнологична цивилизация могат да използват неговата идея.

Може да се види, че въртящият се източник излъчва вълни, които се скъсяват и удължават в зависимост от посоката на въртене. Вълните от страната, която се върти към нас, ще изглежда, че се скъсяват, а вълните от страната, която се върти обратно, ще изглежда, че се удължават. Ето как астрономите могат да преценят въртенето на звезди и галактики.

Сега учени от Школата по физика и астрономия към Университета в Глазгоу леко променят идеята на експеримента на Зелдович и изграждат инсталация, с която да докажат теорията на Пенроуз. Вместо светлинни вълни изследователите използват звукови вълни. Честотата на вибрациите на акустичните вълни е много по-ниска от тази на светлината. Това означава, че повърхността, от която ще бъдат отразени, може да се върти много по-бавно, за да произведе очаквания ефект.

Експериментът. Кредит: Cromb et al., Nature Physics, 2020

В нов документ, публикуван в Nature Physics, екипът описва как са изградили система, която се състои от малък въртящ се пръстен от високоговорители, създаден да "усуче" звуковите вълни, аналогичен на усуканата светлина в експеримента на Зелдович. „Черната дупка“ е въртящ се звукопоглъщател, направен от пенопластов диск, въртенето на който би трябвало да се ускори, когато  звуковите вълни се отразят. Група микрофони от другата страна на диска ще открие звуковите вълни, след като преминат през диска.

Това, което ще провери теорията на Пенроуз и Зелдович, е изместване на височината и амплитудата в звуковите вълни, преминаващи през диска.

Пръстенът постепенно се завърта. Честотата на звука се променя след частотата на въртене. В началото честотата на звуковите вълни намалява. Звукът става все по-нисък и по-нисък. Но тогава се случва нещо странно. Когато звукът става толкова нисък, че е почти невъзможно да се чуе през високоговорителите, височината му започва отново да се увеличава. При първоначалната височина увеличението на честотата се прекратява. Звукът при това е несъмнено по-силен: амплитудата му се увеличи с 30%, в сравнение с оригиналния звук, който излиза от високоговорителите.

"Ротационният доплеров ефект е подобен, но ефектът е ограничен до кръгово пространство. Изкривените звукови вълни променят височината си, когато се измерват от гледна точка на въртящата се повърхност. Ако повърхността се върти достатъчно бързо, честотата на звука може да направи нещо много странно - може да премине от положителна честота към отрицателна и по този начин да открадне малко енергия от въртенето на повърхността", обяснява Марион Кромб (Marion Cromb), водещ автор на статията.

Всичко се случва точно както е предсказано от Пенроуз и Зелдович - звукът се връща, защото в даден момент има „промяна на полярността“ от положителна честота към отрицателна. Вълните с отрицателна честота са в състояние да вземат част от енергията от въртящия се пенопластов диск, като по този начин стават по-гръмки. Същото, според физиците от Университета в Глазгоу, се случва със светлината в ергосферата на черна дупка. Единствената разлика е, че не честотата става отрицателна, а енергията на излъчване.

"Това, което чухме по време на експеримента, бе изключително”, разказва Марион Кромб. "Когато скоростта на въртене се увеличава, честотата на звуковите вълни претърпява доплерово изместване към нула. Когато звукът започна да се връща отново, това е защото вълните се изместват от положителна честота към отрицателна. Тези отрицателни честотни вълни са способни да вземат част от енергията от въртенето на диска, като стават по-силни в процеса - точно както прогнозира Зелдович през 1971 г."

Ако съществуват извънземни напреднали цивилизации, тогава може би те ще използват черни дупки вместо атомни реактори. Изследователи от планетата Земя, преди да преминат към този изключително зелен източник на енергия, трябва да повторят експеримента, но с електромагнитни, а не с акустични вълни. Учените от Университета в Глазгоу планират да направят това в близко бъдеще.

Справка: Marion Cromb et al. Amplification of waves from a rotating body, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-0944-3

Източник:

After 50 Years, Experiment Finally Shows Energy Could Be Extracted From a Black Hole, ScienceAlert

Experiment confirms 50-year-old theory describing how an alien civilization could exploit a black hole, University of Glasgow


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Отговорът не е 42, а 1/137
10 ноември 2019 в 10:20
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.