Первая в истории «бомба из черной дыры» создана в лаборатории
Физики создали первую в истории «бомбу из черной дыры» — давно предсказанный феномен, при котором энергия усиливается черной дырой и удерживается окружающими зеркалами вплоть до взрыва.
К счастью, «лабораторная черная дыра», описанная в статье на arXiv, представляет собой лишь безопасную модель, а не реальную черную дыру в космосе, но, поскольку физические принципы идентичны, ее изучение может помочь исследователям лучше понять, как вращаются настоящие черные дыры.
Идея извлечения энергии из черной дыры впервые была предложена в 1969 году физиком Роджером Пенроузом. Он предположил, что частица, пролетающая очень близко к вращающейся черной дыре, должна получить энергию благодаря любопытному эффекту общей теории относительности: черная дыра искривляет и ускоряет пространство-время вокруг себя.
Два года спустя другой физик, Яков Зельдович, понял, что аналогичный процесс можно запустить и в других сценариях — например, при движении света вокруг быстро вращающегося металлического цилиндра. По его расчетам, этот эффект «сверхизлучения» должен возникать при вращении цилиндра со скоростью света.
«Невозможно вращать что-либо [сделанное] из материи на таких скоростях», — предупреждает профессор Хендрик Ульбрихт из Саутгемптонского университета.
Зельдович также предположил, что если окружить вращающийся цилиндр зеркалом, усиленная энергия будет отражаться и накапливаться в петле положительной обратной связи, пока либо не высвободится, либо не произойдет взрыв. Эта идея допускает создание «бомбы из черной дыры», способной выдать мощь, сопоставимую со сверхновой звездой. Причем черной дыре не нужен для этого внешний источник энергии: она может усиливать крошечные электромагнитные флуктуации вакуума пространства, фактически создавая энергию из шума.
До сих пор эти фантастические концепции не выходили за рамки теоретических рассуждений, но теперь физики нашли способ продемонстрировать петлю обратной связи Зельдовича с помощью вращающегося алюминиевого цилиндра и магнитных полей. Первый прототип Ульбрихт собрал во время локдауна в 2020 году.
«Все было закрыто, мне было очень скучно, и я хотел чем-то заняться, поэтому собрал установку и начал экспериментировать — и увидел усиление. Я был настолько взволнован, что, можно сказать, это спасло меня во время пандемии», — вспоминает исследователь.
Вскоре он привлек коллег для создания более надежной экспериментальной установки, состоящей из вращающегося алюминиевого цилиндра, приводимого в движение электромотором, и трех слоев металлических катушек, создающих магнитное поле, которое также вращается вокруг цилиндра с аналогичной скоростью. В этой системе катушки действуют как зеркало, а магнитное поле — как свет, и, в полном соответствии с предсказаниями Зельдовича, оно усиливает магнитное поле от цилиндра.
«Вы направляете низкочастотную электромагнитную волну на вращающийся цилиндр — и кто бы мог подумать, что получите больше, чем вложили? Это совершенно поразительно», — восхищен физик Витор Кардозу из Лиссабонского университета.
Ульбрихт и его коллеги показали, что даже без начального внешнего магнитного поля установка все равно генерирует нарастающий сигнал в окружающих катушках — точно так же, как в теоретическом примере с черной дырой без внешнего источника энергии. «Мы, по сути, создаем сигнал из шума — и это то же самое, что происходит в предложенной модели "бомбы из черной дыры"», — объясняет профессор.
«Точные измерения этого процесса в лаборатории позволяют с уверенностью заявить: "Да, это должно происходить и в физике черных дыр"», — подтверждает Кардозу.
Лабораторная версия — не более чем аналог, но она может помочь физикам понять, как реальные черные дыры отдают энергию окружающим частицам. Благодаря этому можно проверить теоретические идеи о пока не обнаруженных полях частиц, например, тех, что связаны с темной материей.
«Если новые поля существуют, мы должны, к примеру, наблюдать гравитационные волны, испускаемые облаком вокруг черных дыр, или замедление вращения черных дыр, поскольку они отдают свою энергию этим новым частицам. Таким образом, сверхизлучение превращает черные дыры в детекторы частиц — причем гораздо более эффективные, чем в [Большом адронном коллайдере в] ЦЕРНе, для поиска подобных форм темной материи», — заключил Кардозу.