Исследователи из Школы физики и астрономии Университета Глазго в Великобритании доказали полувековую гипотезу, из которой следует, что технологически развитые внеземные цивилизации потенциально могут извлечь энергию из вращающихся черных дыр. Статья исследователей опубликована в журнале Nature Physics.
В 1969 году английский физик Роджер Пенроуз предположил, что инопланетяне могут извлекать энергию из вращающейся черной дыры благодаря тому, что пролетающие сквозь эргосферу частицы или волны уносят с собой энергию вращения черной дыры (это явление стало называться процессом Пенроуза). Советский физик Яков Зельдович развил эту идею и выдвинул гипотезу, что быстро вращающийся цилиндр способен усиливать падающие на него «закрученные» электромагнитные волны (то есть имеющие определенный орбитальный угловой момент), в том числе квантовые флуктуации в вакууме. Однако этот эффект до сих пор не был проверен экспериментально, поскольку цилиндр должен был вращаться с частотой как минимум миллиард раз в секунду.
В новой работе ученым впервые удалось наблюдать эффект Зельдовича, достигнутый с помощью акустических волн частотой 60 герц. В ходе эксперимента исследователи установили 16 динамиков в виде кольца и направили звук в сторону вращающегося диска, изготовленного из шумопоглощающей пены. При этом акустические волны от одного динамика отставали по фазе от волн из другого динамика, что позволило сымитировать орбитальный угловой момент. Условия, удовлетворяющие эффекту Зельдовича, были достигнуты при вращении диска с частотой всего лишь 15-30 оборотов в секунду.
Результаты эксперимента подтвердили, что низкочастотные моды могут усиливаться до 30 процентов, проходя сквозь шумопоглощающий слой диска. По мере того, как скорость вращения диска увеличивается, частота звуковых волн падает из-за эффекта Доплера, однако при достижении определенной скорости она вновь возвращается к прежнему значению, при этом громкость (то есть амплитуда) увеличивается. Это происходит за счет того, что волны забирали часть энергии вращения у диска.
Процесс Пенроуза происходит, когда тело имеет две части, одна из которых падает за горизонт событий. Если два фрагмента имеют определенные скорости, особое положение относительно друг друга и летят по правильным траекториям, то падение одного фрагмента передает энергию другой части, большую, чем та энергия, которой тело обладало изначально. Для стороннего наблюдателя это выглядит так, словно тело разделилось на часть с положительной энергией и часть с «отрицательной энергией», которая при падении за горизонт уменьшает момент импульса черной дыры. В результате первый фрагмент вылетает из эргосферы, «забирая» энергию вращения черной дыры.