Вращающиеся черные дыры - самое мощное явление в известной Вселенной. Их мощная гравитация радикально изменяет кривизну пространства-времени вокруг них, что приводит к таким релятивистским эффектам, как замедление времени, искажение света, а также к тому, что вещество и фотоны падают вокруг них, образуя аккреционные диски. В случае сверхмассивных черных дыр (SMBH) в центрах галактик эти диски разгоняются почти до скорости света и испускают мощное излучение, которое временно затмевает все звезды в дисках.
В 1969 году сэр Роджер Пенроуз предположил, что высокоразвитые цивилизации могут использовать энергию вращения черных дыр в качестве источника энергии. Хорхе Пиночет, профессор физики Столичного университета образовательных наук (UMCE), недавно проанализировал, как можно реализовать теорию Пенроуза.
Проще говоря, в его статье исследуется этот потенциальный источник энергии, эффективность процесса извлечения энергии и некоторые механизмы, которые могут позволить развитой цивилизации использовать его, в том числе и человечеству, когда—нибудь! Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.
Согласно метрике Керра и Керра–Ньюмана, двум предложенным вариантам решения уравнений поля Эйнштейна для ОТО, считается, что все черные дыры вращаются. Это вращение приводит к тому, что вещество, падающее непосредственно за горизонт событий (известный как эргосфера), "притягивается" ими. Этот эффект применим даже к самому пространству-времени, явлению, известному как "перетаскивание кадра" (оно же эффект Ленса-Тирринга), которое, по мнению некоторых астрономов, является причиной массивных струй, иногда наблюдаемых на их полюсах.
Как Пиночет сообщил Universe Today по электронной почте, вращение черной дыры может вырабатывать энергию с эффективностью, в десятки раз превышающей термоядерные реакции, которые питают солнце:
"Частица, находящаяся вблизи вращающейся черной дыры, будет вращаться вокруг нее со скоростью, близкой к максимально допустимой законами физики - скорости света в вакууме, которая составляет 300 000 км/с. Но движение - это самая основная форма энергии. Как мы учили в школе, энергия, связанная со скоростью, называется кинетической энергией. Затем черная дыра передает кинетическую энергию вращения объектам, находящимся поблизости от нее.
"Эту энергию можно использовать многими способами, до тех пор, пока объекты, увлекаемые вращением, не пересекут точку невозврата черной дыры, так называемый горизонт событий. Как только объект проникает за горизонт событий, он навсегда оказывается в ловушке мощной гравитации черной дыры, и его энергия не может быть использована".
В своей оригинальной статье "Гравитационный коллапс: роль общей теории относительности" Пенроуз предложил механизм, который теоретически мог бы разогнать космический корабль до релятивистских скоростей (составляющих долю скорости света), позволяя ему перемещаться между звездными системами за считанные годы, а не столетия (или дольше). Однако тот же самый процесс мог бы быть использован в качестве источника энергии достаточно развитой цивилизацией.
Это согласуется с преобладающими теориями о высокоразвитых цивилизациях и уровне технического развития, которого они могли достичь. Наиболее известным примером является шкала Кардашева, классификационная схема, предложенная Николаем Кардашевым в 1960 году. В соответствии с этой схемой цивилизация, способная использовать энергию черных дыр, находилась бы где-то между цивилизациями второго и третьего типов. Аналогичным образом, способность использовать энергию вращающихся черных дыр предсказывается гипотезой перехода, предложенной Джоном М. Смартом в 2012 году.
Однако, как выяснил Пиночет в своей статье, первоначальная теория непрактична, поскольку она требует чрезвычайно высокой скорости, точности и времени. Гораздо более перспективным методом, отмечает он, является использование энергии, выделяемой аккреционными дисками, которые вращаются вокруг черных дыр сразу за горизонтом событий:
"Природа нашла более практичный и жизнеспособный способ извлекать энергию из вращающихся черных дыр, используя так называемые квазары и микроквазары. Мы говорим о квазаре, когда это явление происходит вокруг сверхмассивной черной дыры, типичная масса которой составляет примерно от одного миллиона до десяти миллиардов масс Солнца.
"Мы говорим о микроквазаре, когда это явление происходит вокруг звездной черной дыры, масса которой колеблется примерно от 3 до 100 масс Солнца. В дополнение к аккреционному диску, эти явления сопровождаются релятивистскими струями, которые представляют собой струи частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света."
Этот процесс, при котором квазары и микроквазары получают энергию, был предложен в 1977 году физиками Роджером Блэндфордом и Романом Знаеком. "В честь своих авторов этот процесс известен как механизм BZ и является более сложным, чем процесс Пенроуза".
Этот процесс включает в себя изменение электромагнитного поля эргосферы черной дыры, возможно, с помощью магнитного жгута. Поскольку эргосфера заставляет магнитосферу внутри себя вращаться, исходящий поток углового момента может быть использован для извлечения энергии из черной дыры.
Это представляет собой потенциальный техносигнатур, который исследователи SETI могли бы искать в ближайшие годы. И, как резюмировал Пиночет, когда-нибудь это вполне возможно для человечества.
"Первым, кто предложил использовать энергию вращающихся черных дыр в практических целях, был Пенроуз, но в целом это тема, которая мало изучена, возможно, потому, что она слишком далека от наших нынешних технологических возможностей", - сказал он.
"В любом случае, вполне разумно полагать, что, возможно, в очень отдаленном будущем наша цивилизация сможет найти во вращающихся черных дырах чистое и эффективное решение сложных энергетических проблем, с которыми нам, несомненно, придется столкнуться как обществу, при условии, что мы сможем пережить наше нынешнее технологическое детство".
