Чёрная дыра как пауэрбанк для человечества

На протяжении десятилетий ученые боролись со сложной загадкой физики: могут ли огромные количества энергии, теоретически производимые вращающимися черными дырами, когда-либо послужить для нужд человечества?



Если черные дыры — это космические «пылесосы», способные пожирать звезды и излучать невероятное количество энергии, то не можем ли мы позаимствовать хотя бы часть этого «дармового» ресурса?
Если бы цивилизации будущего каким-то образом смогли осуществить этот великолепный подвиг и извлекать колоссальную энергию из «побочного продукта» черных дыр – это помогло бы обеспечить целые звездные колонии. Недавно ученые разработали новую стратегию того, как можно претворить эту идею в жизнь.
«Черные дыры обычно окружены горячим «супом» из плазменных частиц, несущих магнитное поле, — объясняет астрофизик Лука Комиссо из Колумбийского университета. — Наша теория показывает, что когда силовые линии магнитного поля разъединяются и снова соединяются правильным образом, они могут ускорять частицы плазмы до отрицательных энергий, благодаря чему из этого «супа» может быть извлечено фантастическое количество энергии».
Учитывая их чрезвычайную массу, вполне естественно предположить, что черные дыры также содержат огромное количество энергии. К сожалению, все это заперто в ловушке пространства-времени так, что даже свет не может ее покинуть.
Однако в условиях, когда эта масса вращается, можно было бы внедриться в огромный резервуар энергии благодаря колебаниями все того же пространства-времени.
Выдающийся физик и математик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз предложил один гениальный метод. В так называемом «процессе Пенроуза» энергия теоретически может быть извлечена из области за пределами горизонта событий черной дыры (называемой эргосферой), внутри которой пространство-время искажается под действием вращения этой самый дыры.

Расчеты Пенроуза показали, что если частица разделится внутри эргосферы на две части, одна из которых упадет в горизонт событий, а другая ускользнет от гравитационного притяжения черной дыры, то энергия, выделяемая убегающей частицей, может быть извлечена из нее.
Эта знаменитая идея была экспериментально подтверждена учеными в статье, опубликованной в 2020 году. Но это не единственный предложенный способ использования энергии вращающейся черной дыры.
Излучение Хокинга, основанное на квантово-механическом излучении, позволяет осуществить альтернативный путь, известный как процесс Бландфорда – Знайека, в котором энергия может извлекаться электромагнитным путем не из самой черный дыры, а через магнитное поле вокруг нее.
В анализе Комиссо и Асенжо магнетизм также играет центральную роль — в частности, когда силовые линии магнитного поля разрываются и воссоединяются внутри эргосферы — но он также изменяет некоторые идеи процесса Пенроуза.
Поскольку магнитные соединения и разъединения полей происходят за пределами горизонта событий — частицы плазмы разлагаются до скоростей, приближающихся к скорости света, в двух разных направлениях — один поток плазмы может упасть в горизонт событий, а другой ускользнуть.
С точки зрения черной дыры, падающая частица будет наделена отрицательным количеством энергии. Из-за пределов черной дыры выходящая частица будет иметь положительную энергию, которую можно заставить работать.
Согласно этому методу, утекающие потоки плазмы с добавочной энергией теоретически могут служить практически безграничным источником свободной мощности, пока черная дыра продолжает поглощать плазму с отрицательной энергией.
«Мы подсчитали, что процесс возбуждения плазмы может достичь КПД в 150%, что намного выше, чем у любой электростанции, работающей на Земле», — объясняет Асенжо.
«Достижение эффективности свыше 100% возможно потому, что черные дыры пропускают энергию, которая бесплатно отдается плазме, покидающей саму дыру».
Маловероятно, что мы сможем как-то реально добывать энергию подобным способом в ближайшем времени, это не означает, что исследование полностью бесполезно. С астрономической точки зрения, это явление представляет интерес уже потому, что может быть причиной «вспышек» черных дыр, представляющих собой огромные выбросы излучения, уходящие в космос. Изучение подобных явление помогает нам не только лучше понимать природу Вселенной, но также проектировать космические зонды и корабли с оглядкой на агрессивные факторы космической среды.