Використання енергії гіпотетичної чорної діри може створити бомбу

Чорні діри – це потужні гравітаційні двигуни. Тож уявіть, що існує спосіб видобувати з них енергію.

Звичайно, ми могли б використати всю теплову та кінетичну енергію акреційного диска та струменів чорної діри, але навіть якщо б у вас була лише чорна діра у порожньому просторі, ви все одно могли б видобути енергію за допомогою трюку, відомого як процес Пенроуза.

Вперше запропонований Роджером Пенроузом у 1971 році, це спосіб видобувати енергію обертання з чорної діри. Він використовує ефект, відомий як перетягування рамки, коли тіло, що обертається, викривляє простір навколо себе таким чином, що об’єкт, який падає назустріч тілу, злегка тягнеться вздовж траєкторії обертання.

Ми спостерігали цей ефект поблизу Землі, хоча він і крихітний. Поблизу обертової чорної діри ефект може бути величезним. Настільки сильним, що в межах області, відомої як ергосфера, об’єкти можуть затягуватися навколо чорної діри зі швидкістю, більшою за швидкість світла у вільному просторі.

Грубо кажучи, процес Пенроуза полягає у входженні в ергосферу чорної діри, що швидко обертається, а потім у викиді в неї невеликої кількості маси або випромінювання. В результаті обертального поштовху ви віддаляєтесь від чорної діри швидше, ніж наближаєтесь до неї. Додаткова енергія, яку ви отримуєте, врівноважується уповільненням обертання чорної діри.

Цей процес теоретично може витягти до 20 відсотків енергії маси чорної діри, що є величезною енергією. Для порівняння, синтез водню в гелій дає лише близько 1 відсотка енергії маси.

Звичайно, фізики-теоретики ніколи не бувають задоволені. Якщо з чорної діри можна витягти 20 відсотків енергії маси, то чому б не більше?

Саме цьому присвячена нещодавня стаття, хоча слід зазначити, що вона фокусується на більш абстрактній ідеї чорної діри, ніж та, яку ми бачимо у Всесвіті.

Прості чорні діри можна охарактеризувати трьома речами: масою, обертанням та електричним зарядом. Чорні діри, які ми спостерігаємо, мають перші дві, але, оскільки матерія електрично нейтральна, не мають третьої. Ця стаття присвячена зарядженим чорним дірам.

Наш Всесвіт також розширюється і може бути приблизно описаний розв’язком рівнянь Ейнштейна, відомим як простір де Сіттера. Він описує порожній всесвіт з позитивною космологічною сталою. Антипростір де Сіттера (АПС) – це всесвіт з від’ємною космологічною сталою.

Хоча AdS не описує наш всесвіт, він дозволяє кілька математичних трюків, які люблять теоретики, тому його часто використовують для дослідження меж загальної теорії відносності. У цій статті ми розглядаємо заряджену чорну діру в антиде-ситтерівському просторі.

Хоча це дослідження повністю гіпотетичне, воно цікаве як сценарій “що було б, якби”. Замість того, щоб видобувати енергію з обертання чорної діри, автори розглядають, як видобувати енергію через розпад частинок, використовуючи ефект Баньядоса-Сілка-Веста (BSW).

Використовуючи свого роду електромагнітні або фізичні дзеркала, частинки можуть відбиватися туди-сюди поблизу горизонту подій, отримуючи енергію від чорної діри, поки вони не розпадуться і не перетворяться на придатну для використання енергію.

Проблема з цією ідеєю, як показують автори, полягає в тому, що це може призвести до ефекту втечі, коли енергія частинок посилює енергію частинок у вигляді зворотного зв’язку, що призводить до того, що відомо як бомба з чорної діри. Тож якщо ви будуєте електростанцію поблизу зарядженої чорної діри у всесвіті проти де Сіттера, будьте обережні.

Але ще цікавіше те, що автори також розглянули випадок зарядженої чорної діри в порожньому антиде-ситтерівському всесвіті. У цьому випадку енергія також буде видобуватися з чорної діри.

Замість дзеркал сама структура простору-часу виконувала б роль своєрідної камери ув’язнення. Таким чином, заряджена чорна діра вивільняла б енергію сама по собі. Це було б схоже на випромінювання Гокінга, але в цьому випадку воно не покладається на квантову гравітацію. Автори також виявили, що цей випадок не призводить до створення бомби з чорних дір.

Як згадувалося раніше, все це не стосується реальних чорних дір у нашому Всесвіті. Наскільки нам відомо, процес Пенроуза – це найкраще, що ми змогли зробити.

Але подібні дослідження корисні тим, що вони розкривають фундаментальну природу простору і часу. І тепер ми знаємо, що навіть у дивному антисвіті, який ми можемо лише уявити, чорні діри можуть випромінювати енергію з часом.