Подтверждено существование «невозможного» двигателя с отрицательной энергией
Ученые Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли выяснили, каким образом из вращающейся черной дыры можно извлечь энергию для разгона частиц до околосветовых скоростей. Результаты моделирования показали, что черная дыра производит с помощью процесса Пенроуза «отрицательную энергию», способствующую ускорению тела, находящегося у горизонта событий. Об этом сообщает издание Science Alert.
Известно, что черные дыры, которые имеют аккреционный диск, порождают струи (джеты) релятивистской плазмы, вырывающиеся из полюсов. Поскольку черная дыра обладает мощным притяжением, ученые разработали несколько гипотез, откуда берется энергия, позволяющая струям покинуть гравитационное поле. Считается, что вращающаяся черная дыра имеет особую область пространства времени — эргосферу, которая располагается между горизонтом событий и пределом статичности, то есть границей, ниже которой тело уже не может находиться в состоянии покоя и перемещается в сторону вращения черной дыры.
В эргосфере происходят процессы, позволяющие телу извлечь энергию вращения черной дыры, чтобы придать себе достаточное ускорение. Согласно процессу Пенроуза, тело может разделиться на две части, одна из которых должна упасть на 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.
Другой механизм, называемый процессом Блэнфорда-Знаека, обеспечивается магнитным полем, который создает аккреционный диск. Он также требует наличия эргосферы, где возникает электрическое поле и разность потенциалов между экватором и полюсами черной дыры. Иными словами, черная дыра чем-то напоминает униполярный генератор, однако для этого процесса требуется наличие каскадов электрон-позитронных пар.
Результаты моделирования показали, что в эргосфере черной дыры осуществляется оба этих процесса. Ученые провели симуляцию поведения плазмы, в которой столкновения частиц не играют особой роли, в присутствии сильного гравитационного поля, порождаемой черной дырой. В результате в системе начали рождаться электроны и позитроны, которые способствовали генерации энергии в электромагнитном поле, выпускающейся в виде джетов. Однако некоторые частицы, по-видимому, замедляли вращение черной дыры, падая за горизонт событий, то есть обладали «отрицательной энергией», согласно процессу Пенроуза. Однако доля энергии, извлекаемой таким образом, была очень незначительна.