Črna luknja kot vir energije?
Črne luknje poznamo kot močne singularnosti, regije v vesoljskem času, kjer je gravitacija tako močna, da nič – niti sama svetloba – ne more uiti.
Pred približno 50 leti je britanski fizik Roger Penrose predlagal, da bi lahko bile črne luknje vir energije. Zdaj so raziskovalci na Univerzi v Glasgowu na Škotskem dokazali, da je to mogoče.
Marion Cromb je glavni avtor te nove študije. So doktorski študenti na šoli za fiziko in astronomijo Univerze v Glasgowu. Članek ima naslov » Ojačitev valov iz vrtečega se telesa .” Objavljena je v reviji Nature Physics.
'Navdušeni smo, da smo lahko eksperimentalno preverili nekaj izjemno nenavadne fizike pol stoletja po tem, ko je bila teorija prvič predlagana.'
Profesor Daniele Faccio, soavtor, Univerza v Glasgowu
Ljudje, ki jih zanima vesolje in znanost, vedo, da imajo črne luknje singularnost v samem središču in an obzorje dogodkov , meja, čez katero se nič ne more vrniti, ko enkrat preide. Toda črne luknje imajo druge elemente v svoji zapleteni strukturi. Ta nova raziskava se vrti okoli črne luknje ergosfera .
Ergosfera je zunanje območje obzorja dogodkov. Leta 1969 je Penrose teoretiziral, da če bi predmet spustil v ergosfero, bi lahko ustvaril energijo.
V ergosferi je nemogoče, da predmet miruje zaradi f Rame-vlečenje . Splošna teorija relativnosti napoveduje, da bo vrteča se masa, kot je črna luknja, vlekla s seboj sosednji prostor-čas. Tako se bo vsak predmet, vstavljen v ergosfero, začel premikati in ga ni mogoče ustaviti.
Ergosfera je območje zunaj obzorja dogodkov, kjer predmeti ne morejo ostati nepremični. Zasluge slike: Yukterez (Simon Tyran, Dunaj) – lastno delo, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50352912
Penrose je dejal, da če bi predmet spustil v ergosfero, bi pridobil negativno energijo. Če bi predmet spustili in nato razdelili na dva dela, bi črna luknja eno polovico pogoltnila, eno polovico pa ne. Če bi to polovico izvlekli iz ergosfere, odbojni učinek pomeni, da bi obnovljena polovica izgubila negativno energijo. Ker minus od minusa pomeni plus, bi ta predmet pridobil nekaj energije zaradi vrtenja črne luknje.
Jasno je, da to ni nekaj, kar bo človeška civilizacija kmalu poskušala. Penrose je dejal, da bi se česa takega sploh lahko približala le zelo napredna civilizacija. In tudi takrat…
Toda potem, ko je Penrose predstavil idejo, je o tem še nekaj razmišljal drug fizik. Jakov Zeldovich predlagal, da bi idejo lahko preizkusili s pošiljanjem zasukanih svetlobnih valov proti površini vrtečega se kovinskega valja. Če bi bili poslani s pravo hitrostjo, bi se ti valovi odbijali od valja, potem ko bi pridobili dodatno energijo iz vrtenja cilindra. Vse je posledica čudne lastnosti Dopplerjevega učinka.
Umetnikova ilustracija zvezde, ki jo je raztrgala črna luknja. Do zdaj ni bilo mogoče dokazati, da sta imela Penrose in Zel'dovich prav glede energije iz črnih lukenj. Zasluge: Mark Garlick
Ko ljudje govorijo o Dopplerjev učinek , običajno se nanašajo na linearni Dopplerjev učinek. Pogosto uporabljen primer je sirena reševalnega vozila. Ko se reševalno vozilo približa poslušalcu, se zvočni valovi pred reševalnim vozilom stisnejo na višjo frekvenco in poslušalec to sliši kot povečanje tona. Nasprotno, ko reševalno vozilo mimo poslušalca, se zvočni valovi ne stisnejo več zaradi premikanja reševalnega vozila naprej in poslušalec sliši znižano frekvenco kot nižjo višino.
Toda ta ideja vključuje rotacijski Dopplerjev učinek.
'Kar smo slišali med našim eksperimentom, je bilo izjemno.'
Marion Cromb, glavni avtor, Univerza v Glasgowu
Glavni avtor Cromb to takole opisuje v a izjava za javnost : »Rotacijski dopplerjev učinek je podoben, vendar je učinek omejen na krožni prostor. Zasukani zvočni valovi spremenijo svojo višino, če jih merimo z vidika vrtljive površine. Če se površina vrti dovolj hitro, lahko zvočna frekvenca naredi nekaj zelo čudnega – lahko preide iz pozitivne frekvence v negativno in pri tem ukrade nekaj energije iz vrtenja površine.
Ta slika iz študije ponazarja, kako se zvok iz zvočnikov zasuka, preden se pošlje v vrteči se disk, z mikrofoni, označenimi z 'M'. Štiri vstavljene slike prikazujejo različne konfiguracije, uporabljene v poskusu: levi vložek, podporni disk z mikrofoni in absorberjem se vrtijo sočasno; sredinski levi vložek, absorber je ločen in ostane statičen, medtem ko se mikrofoni vrtijo; sredinski desni vložek, absorber je nameščen le pred enim od dveh mikrofonov; desni vložek, absorber je popolnoma odstranjen in mikrofoni se vrtijo. Zasluge za sliko: Cromb et al, 2020.
Vsekakor Zeldovičeva ideja ni bila nikoli preizkušena. Težava je v tem, da bi se valj moral vrteti z nedosegljivo hitrostjo milijard krat na sekundo, ker svetloba sama potuje tako hitro. To je za našo tehnologijo nedosegljivo.
Ekipa na Univerzi v Glasgowu je pripravila način testiranja tega. Sklenili so, da bi lahko celotno stvar preizkusili z zvočnimi valovi, ki potujejo veliko počasneje od svetlobe. To pomeni, da bi se valj moral vrteti tudi veliko počasneje, dosegljivo.
V svoji študiji so avtorji zapisali: 'Čeprav je ojačanje valov zaradi vrtečega se absorberja zelo težko preveriti z optičnimi ali elektromagnetnimi valovi, so možne neposredne meritve z uporabo zvočnih valov.'
V svojem laboratoriju je ekipa zgradila obroč zvočnikov, ki bi lahko ustvarili zasuk v zvočnih valovih, podoben zasuku, ki je potreben pri svetlobi v Zeldovičevem predlogu.
Naprava v laboratoriju ekipe. Zasluge za sliko: Cromb/Univerza v Glasgowu.
Naprava se začne z obročem zvočnikov, ki proizvajajo zasukane zvočne valove. Ti valovi so usmerjeni proti vrteči se penasti plošči, ki absorbira zvok. Za penasto ploščo je mikrofon za merjenje zvoka. Ko se poskus začne, se hitrost vrtenja diska iz pene poveča.
Ekipa je iskala izrazito spremembo tako v frekvenci kot v amplitudi zvoka, ko so zvočni valovi prehajali skozi penasto ploščo. Sprva, ko se je hitrost vrtečega se diska povečevala, je višina zvoka postala tako nizka, da je človeška ušesa neslišna. Nato se je višina ali frekvenca spet dvignila. Ponovno je dosegel svojo prvotno višino, vendar je bila tokrat amplituda oziroma glasnost povečana na 30 % glasnejša od izvirnika. Zvočni valovi so pridobili energijo iz vrtečega se diska.
Ta številka iz študije prikazuje dvig amplitude, ki ga ustvari vrteči se disk, v primerjavi s statičnim diskom. Zasluge za sliko: Cromb et al, 2020.
'Kar smo slišali med našim eksperimentom, je bilo izjemno,' je dejal Cromb. »Dogaja se, da se frekvenca zvočnih valov z dopplerjevo premikom na nič, ko se hitrost vrtenja povečuje. Ko se zvok ponovno začne, je to zato, ker so se valovi premaknili s pozitivne frekvence na negativno frekvenco. Ti valovi negativne frekvence so sposobni vzeti del energije iz vrteče se penaste plošče in pri tem postati glasnejši - tako kot je leta 1971 predlagal Zel'dovich.
To nam samo kaže, da se lahko nekatere ideje v nekem trenutku zdijo nenavadne in nepreverljive. Toda sčasoma jih je mogoče preizkusiti. Tako kot na primer relativnost in upogibanje svetlobe gravitacijske leče .
Profesor Daniele Faccio je soavtor prispevka in je tudi s šole za fiziko in astronomijo Univerze v Glasgowu. V sporočilu za javnost je Faccio dejal: 'Navdušeni smo, da smo lahko eksperimentalno preverili nekaj izjemno nenavadne fizike pol stoletja po tem, ko je bila teorija prvič predlagana. Čudno je misliti, da smo lahko potrdili pol stoletja staro teorijo s kozmičnim izvorom tukaj v našem laboratoriju na zahodu Škotske, vendar menimo, da bo odprla veliko novih poti znanstvenega raziskovanja. Želimo videti, kako lahko v bližnji prihodnosti raziščemo učinek na različne vire, kot so elektromagnetno valovanje.'
Več:
- Izjava za javnost: ' EKSPERIMENT TWISTED’ SOUND POMAGA POTRJETI 50-LETNO TEORIJO ZNANOSTI
- Raziskovalna naloga: Ojačitev valov iz vrtečega se telesa
- Vesolje danes: Napredne civilizacije bi lahko komunicirale z nevtrinskimi žarki. Oddajajo oblaki satelitov okoli nevtronskih zvezd ali črnih lukenj
