Черные дыры — мощные гравитационные двигатели. Итак, вы можете подумать, что должен быть способ извлечь из них энергию, если представится такая возможность, и вы будете правы. Конечно, мы могли бы использовать всю тепловую и кинетическую энергию аккреционного диска и струй черной дыры, но даже если бы все, что у вас было, это черная дыра в пустом пространстве, вы все равно могли бы извлечь энергию с помощью трюка, известного как процесс Пенроуза.
Впервые предложенный Роджером Пенроузом в 1971 году, это способ извлечения энергии вращения из черной дыры. Он использует эффект, известный как перетаскивание кадра, когда вращающееся тело скручивает близлежащее пространство таким образом, что объект, падающий на тело, слегка перетаскивается по траектории вращения. Мы наблюдали эффект вблизи Земли, хотя он крошечный. Вблизи вращающейся черной дыры эффект может быть огромным. Настолько сильная, что в области, известной как эргосфера, объекты могут тянуться вокруг черной дыры со скоростью, превышающей скорость света в свободном пространстве.
Грубо говоря, процесс Пенроуза заключается в том, чтобы влететь в эргосферу быстро вращающейся черной дыры, а затем выпустить немного массы или излучения в черную дыру. Возникающий в результате вращательный удар отбросит вас от черной дыры быстрее, чем вы к ней приблизились. Дополнительная энергия, которую вы получаете, уравновешивается замедлением вращения черной дыры. Теоретически этот процесс может извлечь до 20% энергии массы черной дыры, что огромно. Для сравнения, синтез водорода в гелий дает лишь около 1% массовой энергии.
Конечно, физики-теоретики никогда не бывают удовлетворены. Если вы можете извлечь из черной дыры 20% энергии массы, почему бы не больше? Этому посвящена недавняя статья, хотя следует отметить, что она фокусируется на более абстрактной идее черной дыры, чем мы видим во Вселенной.
Простые черные дыры можно охарактеризовать тремя вещами: массой, вращением и электрическим зарядом. У наблюдаемых нами черных дыр есть первые две, но поскольку материя электрически нейтральна, третьей нет. Эта статья посвящена заряженным черным дырам. Наша Вселенная также расширяется и может быть грубо описана решением уравнений Эйнштейна, известным как пространство де Ситтера. Оно описывает пустую Вселенную с положительной космологической постоянной. Пространство Антиде Ситтера (AdS) будет вселенной с отрицательной космологической постоянной. Хотя AdS не описывает нашу Вселенную, она допускает несколько математических трюков, которые так нравятся теоретикам, поэтому ее часто используют для исследования пределов общей теории относительности. В этой статье конкретно рассматривается заряженная черная дыра в антидеситтеровском пространстве.
Хотя это исследование является полностью гипотетическим, оно интересно как сценарий «а что, если». Вместо того, чтобы извлекать энергию из вращения черной дыры, авторы рассматривают, как извлекать энергию посредством распада частиц, используя эффект Баньядоса-Силк-Уэста (BSW). Используя какие-то электромагнитные или физические удерживающие зеркала, частицы могут отражаться взад и вперед вблизи горизонта событий, получая энергию от черной дыры, пока они не распадутся до полезной энергии. Проблема с этой идеей, как показывают авторы, заключается в том, что она может привести к эффекту неуправляемого движения, когда энергия частиц усиливает энергию частиц по принципу обратной связи, что приводит к так называемой бомбе черной дыры. Так что, если вы обнаружите, что строите электростанцию рядом с заряженной черной дырой во вселенной, противоположной де Ситтеру, действуйте осторожно.
Но еще интереснее то, что авторы также рассмотрели случай заряженной черной дыры в пустой антидеситтеровской вселенной. В этом случае энергия также будет извлекаться из черной дыры. Вместо зеркал сама структура пространства-времени будет действовать как своего рода камера заключения. Таким образом, заряженная черная дыра будет выделять энергию сама. Это было бы похоже на излучение Хокинга, но в данном случае оно не зависит от квантовой гравитации. Авторы также обнаружили, что этот случай не приводит к созданию бомбы черной дыры.
Как упоминалось ранее, ничего из этого не относится к настоящим черным дырам в нашей Вселенной. Насколько нам известно, процесс Пенроуза — это лучшее, что мы можем сделать. Но подобные исследования полезны, поскольку они раскрывают фундаментальную природу пространства и времени. И теперь мы знаем, что даже в странной антивселенной, которую мы можем только представить, черные дыры могут со временем выделять энергию.
Ссылка: Пенроуз, Роджер и Р.М. Флойд. «Извлечение вращательной энергии из черной дыры». Природа Физика Наука 229,6 (1971): 177-179.
Ссылка: Фейтера, Дуарте, Хосе П.С. Лемос и Олег Б. Заславский. «Процесс Пенроуза в пространстве-времени черной дыры Рейсснера-Нордстрема-AdS: энергетические фабрики черных дыр и бомбы черных дыр». Препринт arXiv arXiv:2401.13039 (2024).
Ссылка: Де Ситтер, Виллем. «Об относительности инерции. Замечания по поводу последней гипотезы Эйнштейна». Учеб. Кон. Нед. акад. Мокрый 19,2 (1917): 1217–1225.
