Bomba z czarnej dziury działa. Uczeni zbudowali jej miniaturę

Laboratorium zamiast kosmosu

Czarne dziury to jedne z najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie. Od dawna fascynują nie tylko astrofizyków, ale także amatorów obserwacji kosmosu. Są niewyobrażalnie gęste i posiadają tak silne pole grawitacyjne, że nawet światło nie może się z nich wydostać. Ale co, jeśli dałoby się z nich wydobyć energię? Teoretycznie to możliwe. Fizycy od lat rozważali pomysł „bomby z czarnej dziury”, czyli urządzenia, które mogłoby wykorzystać rotacyjną energię tych kosmicznych gigantów i zamienić ją w ogromny ładunek energetyczny. Dotąd była to wyłącznie koncepcja. Aż do teraz.

Zespół pod kierunkiem prof. Hendrika Ulbrichta z Uniwersytetu w Southampton postanowił zrealizować ten koncept w laboratorium. Uczeni nie stworzyli oczywiście czarnej dziury. Zamiast niej użyli obracającego się metalowego cylindra. Dlaczego akurat padło na ten przedmiot? Odpowiedź jest zaskakująco prosta. Fizycy chcieli zbudować bombę z czarnej dziury w wersji laboratoryjnej, ale z oczywistych względów nie mieli dostępu do prawdziwej czarnej dziury. Potrzebowali więc obiektu, który zachowuje się podobnie: obraca się, pochłania fale i może wzmacniać ich energię. I właśnie taki był metalowy cylinder.

Polecamy: Nauka na tropie ciemnej materii. Mars może być kluczem do zagadki

Jak działa bomba z czarnej dziury?

Na czym polega cały mechanizm? Odpowiedzią jest zjawisko superradiancji. Już w latach 70. brytyjski fizyk Roger Penrose zauważył, że rotująca czarna dziura może przekazywać część swojej energii cząstkom lub promieniowaniu. Dzieje się to w strefie wokół niej zwanej ergosferą, w której zakrzywienie czasoprzestrzeni jest tak silne, że wszystko zostaje wciągnięte w wir.

Penrose pokazał, że w ergosferze cząstka może się podzielić. Jedna jej część wpada do czarnej dziury, zabierając ze sobą energię ujemną, a druga ucieka z dodatkowym „zastrzykiem mocy”. Czarna dziura traci wtedy część swojej energii obrotowej. Obserwator z zewnątrz widzi cząstkę, która nagle przyspiesza i wydaje się zyskiwać energię. Na tej podstawie radziecki fizyk, Yakov Zel’dovich zasugerował w 1971 roku, że podobny efekt powinien wystąpić również w przypadku innych obiektów, na przykład obracających się metalowych cylindrów. Wystarczy, że będą pochłaniać promieniowanie elektromagnetyczne i obracać się szybciej niż „faza” docierającej fali.

„Jeśli ten warunek jest spełniony, współczynnik absorpcji cylindra zmienia znak, wzmacniając promieniowanie” – tłumaczy Maria Chiara Braidotti z Uniwersytetu w Glasgow, współautorka eksperymentu.

Pierwszy test bomby z czarnej dziury

Zespół z Southampton postanowił sprawdzić to w praktyce. W laboratorium zaprojektowali i zbudowali prosty układ: metalowy cylinder, silnik indukcyjny, kilka cewek i kondensatorów. Całość miała imitować mechanizm działania czarnej dziury. Cewki generowały pole elektromagnetyczne wewnątrz cylindra, a jednocześnie odbijały fale.

„Największą trudnością było to, że rzeczy ciągle wybuchały” – wspomina Marion Cromb, członkini zespołu. 

Gdy prąd stawał się zbyt silny, rezystory w obwodzie się przepalały i niszczyły układ. Gdy w końcu wszystko zadziałało, efekt był spektakularny: napięcie zaczęło rosnąć wykładniczo, dokładnie tak, jak przewidywała teoria.

Wyzwolona energia była śmiesznie mała, miała zaledwie milidżul, czyli mniej więcej tyle, ile potrzeba do naciśnięcia klawisza w klawiaturze. Jednak sam fakt, że udało się zarejestrować ten efekt, ma ogromne znaczenie. To pierwsza w historii demonstracja superradiancji elektromagnetycznej w warunkach eksperymentalnych. To również pierwszy krok do praktycznego zbadania, jak naprawdę może zadziałać bomba z czarnej dziury.

Kolejne eksperymenty

W kolejnym etapie badacze postanowili pójść dalej. Zastanawiali się, czy możliwe byłoby wzmacnianie sygnałów nie tylko z pola elektromagnetycznego, ale także z samej próżni. Według teorii, w pustej przestrzeni cały czas zachodzą tzw. fluktuacje kwantowe. Są to chwilowe, spontaniczne zmiany energii w próżni. Nawet w całkowitej pustce cząstki i antycząstki mogą na ułamek sekundy pojawić się i natychmiast zniknąć. Choć są zwykle niewykrywalne, odpowiednie warunki mogłyby je wzmocnić.

Eksperyment został przeprowadzony w temperaturze pokojowej, więc sygnał z próżni został zagłuszony przez fluktuacje termiczne. Mimo to zespół zaobserwował, że odpowiednio szybko obracający się cylinder potrafi sam generować fale elektromagnetyczne. Jest to zjawisko, które może wskazywać na działanie efektu Zel’dovicha nawet bez zewnętrznego promieniowania, czyli warunki, w których bomba z czarnej dziury działa dzięki samej pustce.

Nowe narzędzie fizyki cząstek

Odkrycie ma nie tylko znaczenie teoretyczne. Uczeni zwracają uwagę, że superradiancja może być kluczem do wykrywania tzw. cząstek egzotycznych,  jak aksjony, które są jednym z kandydatów na ciemną materię. Tego typu cząstki mogłyby krążyć wokół czarnych dziur i „wysysać” z nich energię obrotową, wzmacniając fale grawitacyjne lub elektromagnetyczne.

 A dzięki nowemu eksperymentowi, naukowcy zyskali narzędzie, które pozwala badać te zjawiska w znacznie bardziej kontrolowanych warunkach niż przestrzeń kosmiczna. Jeśli bomba z czarnej dziury zadziałała w laboratorium, może posłużyć jako wzorzec dla dalszych eksperymentów w astrofizyce i fizyce cząstek.

Szukasz inspirujących i ciekawych treści? Sięgnij po kwartalnik Holistic News!

Ulbricht planuje kolejne etapy badań. Tym razem w wersji kwantowej. Uczony chciałby sprawdzić, czy możliwe jest spontaniczne generowanie fal elektromagnetycznych wyłącznie z próżni. Jeśli tak, to być może kiedyś uda się opracować technologię pozwalającą na pozyskiwanie energii z pustki kosmosu.

„Wielu fizyków uważa, że wszystkie proste eksperymenty już przeprowadzono. Pokazaliśmy, że to nieprawda. Z prostych rzeczy wciąż można wyciągać nowe, rewolucyjne wnioski” – mówi Ulbricht w rozmowie z portalem Scientific American. 

Kto wie, może to właśnie bomba z czarnej dziury stanie się pierwszym krokiem do niewyczerpanego, czystego źródła energii. Na razie mamy jednak pewność, że fizyka nadal potrafi zaskakiwać. Nawet z pomocą kilku cewek i obracającego się kawałka metalu.

Polecamy: Ekspansja Wszechświata przyspiesza. To czarne dziury mogą być powodem