Физики впервые смогли воспроизвести в лаборатории процесс извлечения энергии из черной дыры

Процессы, сопровождающие жизнь черных дыр, интересуют не только теоретиков. Ученые уже знают, что энергия и частицы могут покидать черные дыры и теперь работают над способами эту энергию использовать.


Художественное представление процесса Пенроуза для электромагнитных волн / © Dalila Pasotti, Hadiseh Nasari

Сэр Роджер Пенроуз, британский физик и математик, предсказал, что при определенных условиях из черных дыр можно извлекать энергию. Черная дыра должна вращаться, тогда тело, падающее в сфере ее влияния, в определенный момент может разделиться на балласт и остаточное тело. Балласт упадет в черную дыру, остаточное тело по сложному механизму получит энергию от вращения черной дыры.

Процесс Пенроуза основан на происходящем в эргосфере. Это область, в которой вращение черной дыры увлекает за собой пространство-время. В ней объект и распадается надвое. Остаточный объект получает энергию, пропорциональную энергии балласта. Если погружать в эргосферу «подвешенный» объект, то теоретически из вращающихся черных дыр можно извлекать энергию.

Советский ученый Яков Зельдович позже развил эту концепцию и показал, что волны также могут получать энергию от вращающихся объектов и усиливаться.

Теперь физики сообщили, что смогли воспроизвести этот процесс в лабораторных условиях. Они усилили электромагнитные волны, используя устройство, симулирующее интенсивное вращение без необходимости физически вращаться. Статья об этом опубликована в журнале Nature.

Исследователи построили работающий в радиодиапазоне прибор, свойства которого быстро меняются в пространстве и времени. Это кольцо электронных резонаторов, чьи свойства быстро изменялись в тщательно выверенной синхронизированной последовательности. Хотя аппаратное обеспечение оставалось на месте, изменения в параметрах системы создавали движущийся паттерн в кольце. В результате этого электромагнитные волны вели себя так, будто система физически вращалась.

«Волны извлекали энергию из системы и усиливались, воспроизводя основные физические процессы Пенроуза — Зельдовича. Наш подход основан на использовании специально разработанных метаматериалов, предназначенных для управления распространением волн», — сказал соавтор исследования Хади Мусса (Hady Moussa).

Замена физического движения на «синтетическое» вращение помогла исследователям преодолеть препятствия, существующие в этой области десятилетиями. Синтетическое вращение позволяет имитировать взаимодействие волн с объектом, движущимся быстрее скорости света, которое иначе исследовать невозможно.

«Этот успешный эксперимент переместил исследования динамики экстремального вращения из теоретической области в поле практики и создал гибкую экспериментальную платформу для изучения широкого круга явлений на пересечении астрофизики, волновой и квантовой физики. Это повлияет на фундаментальные науки, фотонику, оптику и системы связи», — рассказала первый автор научной работы Хадисе Насари (Hadiseh Nasari).