Bomba z černé díry by pravděpodobně byla nejničivější zbraní ve vesmíru. Hypoteticky by to mohlo být vytvořeno zabalením jedné z těchto kosmických příšer v zrcadlech a čekáním, až to půjde „boom“. Nyní Hendrik Ulbricht z University of Southampton v Anglii a jeho kolegové mají ukázal tento princip nazvaný Superradiance v laboratoři Používání rotujícího kovového válce místo černé díry. Na konci března předložili své výsledky, které dosud nebyly recenzovány, na server předtisku arxiv.org.
„Tato práce ukazuje, že„ bomba černé díry “může být ve skutečnosti postavena v laboratoři,“ říká fyzik Vitor Cardoso z Niels Bohr Institute v Dánsku, který se do studie nezúčastnil. „Poskytuje tak solidní základ pro studium celé fyziky černých děr.“
Mezi nejpodivnější objekty ve vesmíruČerné díry zabalí tolik hmoty do tak malého prostoru, že mohou radikálně osnovit časoprostor. Gravitační tah černé díry je tak silný, že v určité vzdálenosti mu nic nemůže uniknout – ani lehké. Teorista Roger Penrose je jedním z průkopníků, kteří nejprve podrobně studovali černé díry – práce, pro kterou sdílel Nobelova cena ve fyzice v roce 2020. A uprostřed této rané práce si uvědomil něco překvapivého.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Jak věděl Penrose, v našem vesmíru nic nestojí, dokonce ani černé díry. Tyto masivní příšery se mohou otáčetzkreslení časoprostoru v procesu vytvořit druh víru. V tomto víru a spirále kolem spřádací černé díry může být chycen blížící se objekt. Ještě předtím, než objekt projde horizontem události, po kterém ani ani světlo nemůže uniknout gravitačním spojkám, dosáhne oblasti, kterou fyziky nazývají „ergosférou“. Tam by se objekt musel pohybovat rychleji než světlo, aby unikl rotaci kolem černé díry.
Jak poznamenal Penrose, tato ergosféra je podivné místo, protože objekty mohou mít negativní energii. Například částice by se mohla rozdělit do dvou stejných, ale neoplnění: jedna s negativní energií a druhou s pozitivní energií. První z nich by pak narazil do černé díry (tím snížil energii černé díry), což umožnilo druhému uniknout mocnému sevření kosmického monva. Vnější pozorovatel by viděl částice s určitou energií padající směrem k černé díře, jen aby se zjevně vzpamatoval ven s vyšší energií. Černá díra ztrácí část své rotační energie v tomto procesu.
Těžba a superradiance černé díry
V zásadě by to umožnilo černým dírám sloužit jako obrovské zdroje energie. Proces by mohl nejen propojit masivní objekty s větším počtem energie, ale také zesílit elektromagnetické vlny ve jevu zvaném Superradiance. Tato realizace podnítila některé fyziky, aby si dokonce představili Jak pokročilé civilizace mohou používat superradianci k vytvoření energie. Ale navzdory tomu, jak relativně jednoduché je popisovat na papíře, nikdo nevěděl, jak by signál superradiance mohl být pozorován ve skutečných černých dírách. Koncept tedy zpočátku zůstal pouhým spekulací.
V roce 1971 však dva roky poté, co Penrose poprvé popsal tento jev, fyzik Yakov Zel’Dovich publikoval výzkum, který naznačoval, že černé díry nejsou jedinými objekty, které lze využít jako nadpřirozené zdroje energie. Jakékoli rotující, axiálně symetrické tělo, které absorbuje elektromagnetické záření – jako je kovový válec – může za určitých okolností vykazovat také superradianci. „Zhruba řečeno, rotující absorbér se musí otáčet rychleji než fázová rotace dopadajícího záření,“ vysvětluje fyzik Maria Chiara Braidotti z University of Glasgow ve Skotsku, která byla zapojena do poslední práce. „Pokud je tento stav splněn, absorpční koeficient válce změní znak, čímž se zesiluje záření.“
Zel’dovich dokonce šel o krok dále tím, že ukázal, že superradiance by se mohla také uskutečnit ve vakuu a nevyžadovala by příchozí elektromagnetickou vlnu. Je to proto, že na kvantovém měřítku je vakuum nic jiného než prázdné. Kdykoli se mohou uskutečnit páry virtuálních částic a antimetrik, i když se obvykle znovu okamžitě znovu ničí. Tento jev je známý jako vakuová fluktuace. A tyto fluktuace by mohly být také zesíleny v blízkosti černých děr – nebo rotující kovový válec. „Stephen Hawking nevěřil této myšlence a pokusil se ji vyvrátit,“ vysvětluje Marion Cromb, výzkumník ve skupině Ulbricht na University of Southampton a přispěl k nové práci. „Nejen, že (Hawking) připustil, že Zel’Dovich měl pravdu, ale byl také schopen prokázat, že i nererotující černé díry – bez ergosféry – zdobanně emitují záření.“ Tato realizace vedla k objevu Hawkingové záření.
Podle teoretických výpočtů by však byla superradiance na bázi vakua tak slabá, že by nemohla být detekována-pokud to není, bylo to nějak zesíleno. Jak popsal Zel’Dovich, rotující tělo (černá díra nebo kovový válec) mohla být uzavřena v zrcadlech, aby odrážela zesilované záření zpět do rotujícího těla a znovu a znovu jej zintenzivnilo. Jak si uvědomili fyzici William Press a Saul Teukolsky, v zrcadlech se může hromadit tolik energie, že dojde k gigantickému výbuchu. Press a Teukolsky proto označili nastavení jako bomba černé díry.
V závislosti na tom, kolik rotační energie má černá díra nebo kovový válec, je však možné si představit výsledek než gigantická exploze. Cardoso a jeho kolegové popsali tuto možnost v článku zveřejněném v roce 2004, který ukázal, jak Superradiance může přestat, pokud černá díra nebo kovová válec ztratí příliš mnoho úhlové hybnostičímž se vzdává exploze.
Výbuchy v laboratoři
Ulbricht, Braidotti a jejich kolegové nyní chtěli otestovat všechny tyto teoretické předpovědi v laboratoři. „Původně jsme si mysleli, že by bylo příliš obtížné pozorovat skutečný účinek,“ říká Braidotti, nic, co by se válec musel otáčet tak rychle, že by byl v tomto procesu zničen. Z tohoto důvodu zpočátku obrátila svou pozornost na jednodušší systémy, ve kterých může dojít k superradiance, včetně nastavení se zvukovými vlnami. „Průlom bylo naším všimnutím, jak snižovat frekvence elektromagnetických polí velmi jednoduchým způsobem, takže jsou menší než rotační frekvence kovových válců,“ vysvětluje Ulbricht. Vědci k tomu potřebovali pouze střídavé současné obvody. „Toto zjištění otevřelo možnost provedení experimentu s elektromagnetickými vlnami,“ říká Braidotti.
Tým pak obrátil svou pozornost na elektromagnetickou superradianci. „Samotné experimentální nastavení je poměrně jednoduché: skládá se z rotujícího válce a statorových cívek komerčně dostupného indukčního motoru v kombinaci s některými kondenzátory a rezistory,“ říká Cromb. Tato zařízení byla umístěna kolem kovového válce za účelem vytvoření magnetického pole uvnitř, které produkovalo elektromagnetické záření. Současně tato zařízení také sloužila jako zrcadla, protože odrážela elektromagnetické vlny zpět směrem k válci.
„Největší obtíž bylo, že věci neustále explodovaly,“ říká Cromb. „Byl to vyrovnávací akt mezi měřením přiměřeného signálu a přetížením systému. Když se proud skrz cívky stal příliš vysoko, odpory v obvodu překročily jejich jmenovité napětí a vyhořely. To přerušilo elektrický obvod, čímž zničilo„ zrcadlo. ““
Vědci se zpočátku obávali, že tato přetížení by zabránila jakémukoli pozorování superradiance. Ale měli štěstí. „Posílení bylo dostatečně velké, aby překonal ztrátu a vstoupil do oblasti nestability,“ říká Cromb. Ve skutečnosti byl tým schopen ukázat, že napětí ve své struktuře exponenciálně vzrostlo, jak předpovídal Zel’Dovich. To podporuje tvrzení vědců na vůbec první laboratorní demonstraci elektromagnetické verze bomby černé díry.
Všimněte si však, že navzdory bojovým konotacím jména není „bomba“ Ulbricht a jeho tým postavený v jejich laboratoři nic jako munice vojenské třídy-nebo dokonce žabka. Bylo by to docela zbytečné jako zbraň, protože její výnos je pouze na řádově millijoule energie – to je přibližně stejné množství spojené s stisknutím jediného klíče na mechanické klávesnici.
Bez radiační superradiance?
Dále Cromb a tým použili své nastavení ke studiu, zda se superradiance může konat také ve vakuu: v jejich aparátu vznikl elektromagnetický signál i bez magnetického pole? Protože k experimentu došlo při teplotě místnosti, tepelné výkyvy zastínily jakékoli kolísání vakua – což znamená, že tým nemohl přímo detekovat. Ale ten stejný šum tepelného pozadí, jak si vědci uvědomili, by spontánně generoval elektromagnetické vlny, které by mohly být teoreticky zesíleny.
A to je to, co se jim podařilo prokázat: výběrem vhodné rychlosti rotace válce generovali z ničeho nic elektromagnetické vlny. Jejich práce také potvrdila scénář „defúze“ předpovídaný společností Cardoso: kovový válec byl schopen ztratit dostatek rotační energie, aby zastavil superradianci a odvrátil jakoukoli explozi.
Podle Ulbrichta je nejvíce zvláštní věcí na práci jeho naprostá jednoduchost. „Mnoho fyziků se domnívá, že všechny jednoduché experimenty již byly provedeny a že nové poznatky o základech fyziky mohou pocházet pouze z velmi složitých a velmi drahých projektů,“ říká. „Dokázali jsme opak.“
„Nečekal jsem, že někdo teď bude schopen provést takový experiment,“ říká Cardoso. V den, kdy bylo nové dílo vysláno na arxiv.org, si vzpomíná, že na Bangalore University v Indii přednášel řadu přednášek. „Mluvil jsem o Superradianci a řekl jsem publiku, že nikdo nikdy neprokázal elektromagnetickou superradianci nebo bombu v laboratoři. Takže si dokážete představit mé překvapení, když jsem viděl papír krátce nato!“
Nová práce by mohla vést k hlubším poznatkům o černých dírách, říká Cardoso. „Superradiance je málo známý klasický efekt, který hraje důležitou roli ve fyzice černých děr,“ vysvětluje. Například extrémně světelné částice, jako jsou axiony nebo speciální typy fotonů považovaných za kandidáty na tmavou hmotu, by mohly absorbovat rotační energii černých děr a zesílit jejich signály. „To znamená, že černé otvory lze použít jako gigantické detektory částic,“ vysvětluje Cardoso. S bombou černé díry založenou na laboratoři mohli fyziky testovat takové hypotézy přesněji než kdykoli předtím.
V budoucnu by Ulbricht chtěl provést kvantovou verzi experimentu, což by znamenalo pozorování spontánní generace elektromagnetických vln a jejich zesílení z vakua. Takové přímé experimenty s výkyvy vakua by mohly otevřít zcela nové možnosti pro vědeckou komunitu a svět, říká, potenciálně představovat „hlavní průlom pro fyziku“. Možná, že Ulbricht přemýšlí, že práce by mohla vědcům umožnit „za několik desetiletí pochopit, zda je v zásadě možné generovat energii z vakua – což by bylo nevyčerpatelným novým zdrojem energie“.
