Теперь, в новом исследовании, физики из Саутгемптонского университета, Университета Глазго и Института фотоники и нанотехнологий Национального исследовательского совета Италии экспериментально подтвердили теоретическую бомбу черной дыры. Этот прорыв поможет астрофизикам лучше понять, как вращаются черные дыры. Работа была опубликована на сервере препринтов Arxiv 31 марта и еще не прошла рецензирование.
Идеи, лежащие в основе этой и оригинальной статьи 1972 года, восходят к фундаментальным работам, заложенным двумя другими физиками. В 1969 году британский физик-математик и нобелевский лауреат сэр Роджер Пенроуз предложил способ извлечения энергии из вращающейся черной дыры, который стал известен как сверхизлучение черной дыры. Затем, в 1971 году, белорусский физик Яков Зельдович попытался лучше понять это явление. В процессе работы он понял, что при соответствующих условиях вращающийся объект может усиливать электромагнитные волны. Это явление известно как эффект Зельдовича.
‘Компоненты взрывались’
В своем новом исследовании ученые использовали эффект Зельдовича для создания своего эксперимента. Они взяли алюминиевый цилиндр, вращаемый электродвигателем, и окружили его тремя слоями металлических катушек. Катушки создавали и отражали магнитное поле обратно на цилиндр, действуя как зеркало.
Когда команда направила слабое магнитное поле на цилиндр, они заметили, что поле, отраженное цилиндром, было еще сильнее, демонстрируя сверхизлучение.
Затем они убрали из катушек первоначальное слабое магнитное поле. Однако контур генерировал собственные волны, которые вращающийся цилиндр усиливал, заставляя катушки накапливать энергию. Благодаря скорости вращения цилиндра и усиленному магнитному полю эффект Зельдовича был в полном разгаре. Зельдович также предсказал, что вращающийся поглотитель — такой как цилиндр — переходит от поглощения к усилению, если его поверхность движется быстрее, чем приходящая волна, что и подтвердил эксперимент.
«Наша работа полностью переносит это предсказание в лабораторию, демонстрируя не только усиление, но и переход к нестабильности и спонтанной генерации волн», — сообщила Live Science соавтор исследования Мария Кьяра Брайдотти, научный сотрудник по физике из Университета Глазго, в своем электронном письме.
«Иногда мы так сильно нажимали на систему, что компоненты схемы взрывались», — рассказала Live Science по электронной почте соавтор исследования Марион Кромб, исследователь из Саутгемптонского университета. «Это было и захватывающе, и настоящий экспериментальный вызов!»
Хотя команда не создала настоящую черную дыру, этот аналог демонстрирует важную идею о том, что вращательное сверхизлучение и экспоненциальное усиление являются универсальными и применимы не только к черным дырам. По словам Брайдотти, эта модель поможет физикам понять вращение черных дыр, а также концепции на стыке астрофизики, термодинамики и квантовой теории. Их исследование находится на стадии рассмотрения для публикации в рецензируемом журнале.
Успешная демонстрация эффекта Зельдовича в лабораторных условиях открывает новые горизонты для исследований в области астрофизики и квантовой механики. Ученые не только подтвердили предсказания полувековой давности, но и показали, что аналогичные процессы могут происходить в других вращающихся системах — от микроскопических объектов до космических масштабов.
Связь с реальными черными дырами
Хотя эксперимент проводился с металлическим цилиндром, а не с черной дырой, он моделирует ключевой аспект поведения вращающихся пространственно-временных сингулярностей. В природе «бомба черной дыры» могла бы возникать, если бы вокруг вращающейся черной дыры (например, черной дыры Керра) существовало идеальное зеркало — например, аккреционный диск или окружающая плазма. В таком случае гравитационная энергия вращения могла бы передаваться электромагнитным или гравитационным волнам, приводя к их экспоненциальному усилению.
«Этот эксперимент показывает, что механизм сверхизлучения и неустойчивости не является чисто теоретической абстракцией, — пояснил соавтор исследования, физик из Университета Глазго. — Теперь у нас есть инструмент для изучения подобных процессов в контролируемых условиях.»
Практические приложения и будущие исследования
Помимо фундаментального значения, работа может иметь прикладные последствия:
-
Усиление волн и энергетика. Эффект Зельдовича потенциально можно использовать для создания новых типов усилителей электромагнитных волн или даже для разработки методов передачи энергии.
-
Квантовая физика. Аналогичные механизмы могут играть роль в квантовой теории поля, включая спонтанное рождение частиц в сильных полях (эффект Унру-Хокинга).
-
Гравитационные волны. Понимание сверхизлучения поможет интерпретировать данные обсерваторий LIGO и Virgo, особенно в случаях слияния быстро вращающихся черных дыр.
Следующим шагом команды станет усовершенствование эксперимента, чтобы изучить более сложные режимы усиления, включая нелинейные эффекты. «Мы только начали раскрывать потенциал этой системы, — говорит Кромб. — Возможно, в будущем мы сможем смоделировать и другие экзотические явления, такие как излучение Хокинга.»
Работа, представленная в arXiv, уже привлекла внимание научного сообщества. Если ее подтвердят независимые группы, это станет важной вехой в исследовании черных дыр и квантово-гравитационных эффектов.
Ожидается, что после рецензирования статья будет опубликована в одном из ведущих физических журналов, таких как Physical Review Letters или Nature Physics.
