Черные дыры поглощают космические объекты и излучают колоссальное количество энергии. Казалось бы, вон он, идеальный источник чистой энергии, который нужен человечеству. Но есть ли шанс как-то к нему «подключиться»? Ученые уже задаются этим вопросом и недавно выработали новую стратегию, как осуществить этот замысел.
За плечами человечества — годы изучения феномена черных дыр, в том числе их механизмов излучения энергии. Сейчас астрономы в разы лучше понимают их природу и могут предлагать варианты полезного использования их ресурсов. Конечно, не стоит забывать, что предлагаемые технологии – концепты, реализация которых возможна через десятки, если не сотни, лет. Но, если есть возможность разработать хотя бы теоретическую основу получения энергии из черных дыр уже сейчас, — почему нет?
«Черные дыры обычно окружены горячим “супом” из плазменных частиц, несущих магнитное поле, — объясняет астрофизик Лука Комиссо из Колумбийского университета. — Наша теория показывает, что, когда силовые линии магнитного поля разъединяются и снова соединяются правильным образом, они могут ускорять частицы плазмы до отрицательных энергий, благодаря чему из этого “супа” может быть извлечено фантастическое количество энергии».
Процесс возбуждения плазмы может достичь 150%, что делает черные дыры в разы эффективнее любой электростанции на Земле.
Что даст человечеству изучение процесса добычи энергии от черных дыр?
Осталось дело за малым – придумать, как осуществить полет до черной дыры и разместить что-то в ее эргосфере, не попав за горизонт событий. В ближайшем будущем человечество едва ли сможет добывать энергию подобным способом, но это не означает, что исследования бесполезны.
Помимо непосредственной «выкачки» энергии, изучение черных дыр позволит лучше понять происхождение вспышек рентгеновского излучения от черных дыр, представляющих собой огромные выбросы излучения в космос. Исследование таких явлений помогает проектировать космические зонды и корабли с учетом агрессивных факторов космической среды.
Современные теории по добыче энергии из черных дыр
В 1969 году физик и математик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз представил публике «процесс Пенроуза», где описал, что энергия теоретически может быть извлечена из области за пределами эргосферы черной дыры, внутри которой пространство-время искажается под действием вращения этой самой дыры.
Расчеты Пенроуза показали, что если частица разделится внутри эргосферы на две части, одна из которых упадет в горизонт событий, а другая ускользнет от гравитационного притяжения черной дыры, то энергия, выделяемая удаляющейся частицей, может быть извлечена. Но для реализации процесса необходимо, чтобы две новорожденные частицы обладали скоростью, превышающей половину скорости света, вот только такие события настолько редки, что это не позволит получить значительные объемы энергии.
Предложенный механизм был экспериментально подтвержден советским ученым Яковом Зельдовичем, переработавшим теорию «процесса Пенроуза» еще в 1971 году. Он предложил заменить черную дыру вращающимся металлическим цилиндром и направить на нее искривленные лучи света. Если бы цилиндр вращался с нужной скоростью, свет отражался бы обратно с дополнительной энергией, извлекаемой из вращения цилиндра, из-за эффекта Доплера.
В 2020 году ученые из университета Глазго смогли найти способ продемонстрировать эффект, описанный Пенроузом и Зельдовичем. Они заменили лучи света звуковыми волнами, ведь такой эксперимент намного проще провести в лабораторных условиях. Ученые создали систему с кольцом динамиков, которая скручивает звуковые волны, которые затем направляются к вращающемуся звукопоглотителю, сделанному из пены. Микрофоны спрятанные за этим диском, фиксируют сигналы, прошедшие через диск, который медленно увеличивает скорость вращения.
Ученые смогли расслышать изменение частоты и амплитуды звуковых волн, прошедших через диск, что подтверждает теорию Пенроуза и Зельдовича верна. Сначала звук затих и перестал быть слышен, а потом вернулся, и его амплитуда была на 30% больше, чем у изначального звука, вышедшего из динамиков.
Ученые активно ищут и другие механизмы по добыче энергии.
Стивен Хокинг выдвинул гипотезу, что черные дыры могут высвобождать энергию за счет теплового излучения. Для подтверждения необходимы наблюдения, но температуры известных астрономам черных дыр слишком малы, чтобы излучение от них можно было зафиксировать – массы дыр слишком велики.
Еще одним механизмом извлечения энергии из вращающейся черной дыры, основанным на электромагнитном взаимодействии, является процесс Блэнфорда-Знаека.
Другая альтернатива «процесса Пенроуза» принадлежит ученым – Луке Комиссо (Колумбийский университет) и Фелипе Асенхо (Университет Адольфо Ибаньеса). Черные дыры окружены горячей плазмой, частицы которой обладают магнитным полем. Поскольку магнитные соединения и разъединения полей происходят за пределами горизонта событий, частицы плазмы разгоняются до скоростей, приближающихся к скорости света в двух разных направлениях: один поток плазмы может упасть в горизонт событий, а другой «ускользнуть».
Падающая частица будет наделена отрицательной энергией, а выходящая за пределы черной дыры будет иметь положительную энергию, которую можно заставить работать. Теоретически такие частицы могут служить безграничным источником свободной мощности до тех пор, пока черная дыра продолжает поглощать плазму с отрицательной энергией. Отличие от «процесса Пенроуза» заключается в том, что для образования частиц с отрицательной энергией требуется диссипация энергии магнитного поля, а у Пенроуза роль играла только инерция частиц.
Что говорит о черных дырах наука
Многие видели черные дыры в кино и, может, что-то даже о них читали, но мало кто хорошо разбирается в том, как они устроены и работают. Немного расскажем об этом.
Черная дыра – это область пространства-времени, сила гравитации в которой настолько велика, что покинуть ее не могут никакие объекты или волны (в том числе свет, а значит, увидеть саму черную дыру невозможно). Существование черной дыры подтверждает только тот факт, что какое-то количество небесных тел кружится вокруг невидимой зоны. Черная дыра изнутри не пуста, она заполнена огромной массой материи, сжатой в небольшом объеме, что и создает огромную силу притяжения.
Вокруг черной дыры располагается область – горизонт событий, то есть «точка невозврата», после пересечения которой вырваться из гравитационной ловушки уже невозможно. Также вокруг черной дыры располагается еще и аккреционный диск — большая масса притягивает вещество, которое разогревается до огромных температур (миллионы или даже триллионы Кельвинов).
Рассчитать характеристики черных дыр при помощи уравнений невозможно, так как там перестают действовать все известные человечеству законы физики. Черные дыры могут быть разных размеров – от маленьких до сверхмассивных. В центре Млечного пути, нашей галактики, расположена сверхмассивная черная дыра – Стрелец А* (SgrA*), массой около 2-5 млн солнечных масс.
Фотография черной дыры – это изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. В центре возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего один раз. Поскольку один телескоп не может запечатлеть такое изображение, для этого потребовалось несколько устройств, разбросанных почти по всей планете. Таким образом получилось сделать единственную на данный момент фотографию черной дыры — огненного «пончика», о котором стало известно в 2019 году.
Комментарии (51)
rapatar
19.07.2021 19:03+4А что такое "отрицательная энергия"?
movl
20.07.2021 01:34Да примерно тоже самое, что и частица, несущая магнитный заряд. Если уравнение, позволит согласованно описать наблюдаемые эффекты, то отрицательная энергия магнитных частиц это всего лишь вопрос интерпретации. В конце концов у нас есть неуравновешенная темная энергия.
nickolas059
19.07.2021 20:24Слышал мнение, что идея излучения Хокинга была изначально подана Зельдовичем, а Хокинг уже развил и причесал данную теорию. По поводу того, что свет не может покинуть черную дыру - мне кажется, что лучше описывать это конечностью скорости и тем, что вторая космическая скорость черной дыры выше скорости света, иначе появляется какая то магия.
CaptainFlint
19.07.2021 22:19+1Вторая космическая не имеет отношения к невозможности выйти из-под горизонта. Энные космические скорости — это параметры для пассивного тела. Обычный космический корабль, оснащённый двигателем, может улететь с планеты в космос, двигаясь с любой сколь угодно малой скоростью, ни разу не превысив и не достигнув первой или второй космической скоростей (лишь бы мощности и топлива хватило). С ЧД же это невозможно ни при каких условиях.
yasha_akimov
20.07.2021 14:29А можете объяснить, почему это невозможно ?
Просто гипотетически, если к телу приложить силу большую, чем притяжение черной дыры, то оно сможет выбраться обратно.
unsignedchar
20.07.2021 15:49Каким образом приложить силу большую, чем притяжение ЧД? Речь идет о силах, сравнимых с силами межатомного взаимодействия. Любой материальный предмет под их действием для начала разрушится.
CaptainFlint
20.07.2021 17:00Для сверхмассивных ЧД кривизна пространства в районе горизонта очень невелика, и как силы гравитации, так и приливные силы там незначительны. К тому же, речь об общем принципе, о теоретических построениях.
CaptainFlint
20.07.2021 16:38Увы, не смогу, в такой степени я в ОТО не разбираюсь. Попадавшиеся мне объяснения этого феномена обычно либо чрезмерно упрощённые и не наглядные («все мировые линии направлены к центру ЧД, поэтому её невозможно покинуть», но как это выглядит для наблюдателя мне остаётся непонятным), либо, напротив, состоят из кучи зубодробительных формул, «откуда очевидно следует».
vedenin1980
20.07.2021 19:52чрезмерно упрощённые и не наглядные
По моему, самый наглядный пример — представьте корабль (обычный морской, не космический), который попал в водоворот, течение которого засасывает со скоростью намного большей, чем максимальная скорость корабля. Неважно, насколько мощная машина на корабле и сколько у него энергии ему все равно не выплыть против течения просто по банальному закону сложения скоростей.
Тут тоже самое, только вместо воды — само пространство, а скорость течения больше скорости света. Пока мы не научимся плыть быстрея течения (двигаться быстрее скорости света), либо не сможем взлететь в воздух (покинуть данный пространственно-временной континум, используя какой-нибудь варп двигатель), нам не выбраться из водоворота (Черной дыры).CaptainFlint
20.07.2021 21:29Если это просто аналогия, то она толком ничего не объясняет, разных аналогий придумать можно много. Вопрос-то был о сути реального поведения по модели ОТО.
А если это фактическое объяснение, то я не уверен, что оно укладывается в рамки текущих научных представлений. Во всяком случае, о засасывании пространства чёрной дырой я до сих пор читал лишь у эфирщиков.
vedenin1980
20.07.2021 17:16+2А можете объяснить, почему это невозможно?
Просто гипотетически, если к телу приложить силу большую, чем притяжение черной дыры, то оно сможет выбраться обратно.
Потому что, для того чтобы выбраться из-за горизонта событий нужно двигаться со скоростью большой скорости света. А уже движение со скоростью света любой нулевой массы требует бесконечной энергии.
Условно говоря, там само пространство двигается внутрь ЧД со сверхсветовой скоростью, поэтому нужно двигаться со сверхсветовой скоростью, чтобы покинуть горизонт событий. Это примерно, как воробью вылететь из смерча урагана, где скорость ветра в сотни раз выше, чем скорость самого воробья.
AiMAX
24.07.2021 04:47+1А уже движение со скоростью света любой нулевой массы требует бесконечной энергии.
— возможно, Вы имели в виду ненулевой массы?
rinaty
19.07.2021 20:37+8бедные мои глаза: излучают колоссальное количество энергии, выработали новую стратегию (прям вот стратегию?), отрицательных энергий, может достичь 150% и это только самое начало статьи
kokonT
20.07.2021 08:24+4Вот ещё перл: «Рассчитать характеристики черных дыр при помощи уравнений невозможно, так как там перестают действовать все известные человечеству законы физики»
какой-то стыд ((( Вероятно рассчитывают при помощи молитв…
Aleksandr-JS-Developer
19.07.2021 21:28+2Ок, энергию добыли. Как теперь доставить её на землю? Создать эшелон аппаратов по принципу "прилетел - разгрузился/разгрузился - улетел"?
Или это будут энергетические станции для проплывающих мимо аппаратов?
Уверен, что энергии у чёрных дыр предостаточно.
Мне кажется, что гораздо понятнее, быстрее, эффективнее и проще будет черпать энергию солнца. Я уверен, что человечество, если получит хотя-бы 0.0001% от ежесекундного "оборота" Солнца сможет просидеть на нём много лет. Или использовать технологию на других звёздах.
Т. е. если в системе есть звезда, то проблема с энергией решена.ClearAirTurbulence
19.07.2021 23:05Ок, энергию добыли. Как теперь доставить её на землю?
А зачем? Если такой процесс действительно возможен, то при некоторой сноровке и наличия пары-тройки неоткрытых технологий, можно совать небольшие черные дыры прямо туда, где нужна энергия, и снимать ее непосредственно на месте. А там дальше китайский синдром, event horizon, который сквозь горизонт, и т.п.W3rtaS
02.08.2021 13:21А где ее взять на нужном месте? Привезти ее с собой? Не могу представить, как это можно осуществить. Создать на месте? Уже интересно, но для этого нужно потратить колоссальное количество материи/энергии, которая нам и нужна.
Однако второй вариант интересен другим, и об этом в статье не упомянули (а я так ждал пока читал) - мощность излучения черной дыры обратно пропорциональна ее массе/размеру, то есть имея небольшую ЧД под боком, умея ее подпитывать массой (любым мусором), и умея собирать с нее энергию получаем то что нужно, включая и огромную опасность при ее схлопывании.
Sly_tom_cat
20.07.2021 00:07А зачем тащить энергию на эту планету?
Если есть дофига энергии то можно:
а) притащить нужную планету (не обязательно землю) туда где будет «ни жарко, ни холодно» и поближе к источнику и обустроить ее.
б) построить супер-мега станцию — по сути просто рукотворную планету опять же там где «ни жарко и не холодно».
в)… я еще не придумал со своей ограниченной современностью фантазией, но уверен что будущие поколения придумают и в и г и до конца алфавита еще вариантов кроме идеи переть энергию к старушке земле.
Keremet_2030
20.07.2021 13:28Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего один раз. Поскольку один телескоп не может запечатлеть такое изображение, для этого потребовалось несколько устройств, разбросанных почти по всей планете.
А что если отправить пару-тройку спутников с небольшими (радио) телескопами на орбиты соседних планет, с атомными часами и двухсторонней связью, можно организовать хороший такой телескоп, размером в пол-солнечной системы...
balamutang
23.07.2021 14:03Не факт что атомные часы помогут, само время в зависимости от гравитации течет по разному, а гравитация на другой планете определенно будет не такая же.
Скорее по пульсарам можно синхронизироваться чем по атомным часам.
Denis1121
02.08.2021 13:21Насколько я знаю, подобные проекты уже обсуждались, о них писали в новостях. Можете поискать. Только телескопы необязательно на орбите располагать. Часть из них установить можно, например, в точках Лагранжа. В одну из этих точек телескоп "Джеймс Уэбб" планируют отправить.
Пока отвечал на ваш вопрос подумал - а ведь классно будет, когда на всех телескопах, на каких возможно, будут атомные часы и другое оборудование, позволяющее создать сеть из телескопов, находящихся в разных местах для получения более качественного изображения интересуемого места в космосе.
dvserg
Человечеству еще долго не понадобятся эти методы работы с черными дырами. Нам бы освоить возможности ближайшей звезды. Хотя возможно я не прав, как автор фразы «640 КБ должно хватить всем»…
balamutang
Человечеству просто лететь до ближайшей дыры сотни лет, а как транспортировать энергию назад еще большой вопрос.
badimao
зачем лететь.
нужно создать маленькую черную дыру в маленькой китайской лаболатории и дело в шляпе
Drakosh
В китайской лаборатории уже создали всякого, что весь мир в масках гуляет и по домам прячется... Может не надо?
Alonerover
А точно в китайской?
dfgwer
Зато может появиться мотивация быстро колонизировать космос!
DGN
Весьма интересно порассуждать о том, что если, некая неизбежная всеплантетная катастрофа не оставит земле шансов как источнику ресурсов для человечества.
До недели - ничего не поменяется, экипаж МКС проживет еще 3-4 месяца на существующих запасах.
До месяца - на МКС стартуют несколько новых экспедиций, новый состав просуществует до года, примерно.
До полугода - успеют подготовить должное количество кораблей с припасами, можно расчитывать прожить на орбите пару тройку лет до 10 человек.
До двух лет - есть время создать специально заточеную на выживание орбитальную станцию. На 30-50 человек и на срок до 10 лет.
До 10 лет - можно думать о станции на 100-200 человек, возможно, о базе на Луне. Срок выживания 30-50 лет, пока работает реактор и эффективны солнечные батареи с аккумуляторами.
До 50 лет - можно создать такую станцию.
До 100 лет - никто не будет заморачиваться этим, пусть потомки все решают.
Hlad
А можно пример такой катастрофы, которая «не оставит земле шансов» за короткий (до 10 лет) промежуток времени, но при этом оставит возможность жить на орбите/на Луне? Потому что единственный вариант, который приходит в голову — это вариант из Horizon:Zero Dawn, и то, к нему есть огромные вопросы.
garwall
"Семиевие" Нила Стивенсона. Конечно, фантастика, но в особых контрах с физикой Нил замечен не был
Hlad
С физикой — нет, а с логикой в этой книге ещё какие проблемы. В случае катастрофы типа Семиевия, человечество попросту закопается под землю/под воду. И кстати — как раз Луны там и не было :)
garwall
так в конце концов выяснилось, что и закопалось, и под воду ушло. :)
bgBrother
Hlad
Это всё не то: все опасности «ближней перспективы относятся к незабвенному „Earth is fine. We are fucked“: жить на Земле после таких катастроф будет вполне можно, только выживут далеко не все. Меня интересовал вариант как раз ситуации, когда „хоть чучелом, хоть тушкой, но надо валить с этого камня“
bgBrother
Лично я не представляю как можно жить на Земле после мировой ядерной войны или глобального похолодания.
Hlad
Мировая глобальная война может оставить нетронутыми Африку/Южную Америку/Австралию. Глобальное похолодание наши предки переживали неоднократно, плюс — это очень медленный процесс на самом деле (скорее — сотни и тысячи лет, чем годы)
AiMAX
— Если кто-то из участников войны применит кобальтовые бомбы, то радиоактивному заражению подвергнется за короткий, несколько месяцев, период времени, вся поверхность планеты.
Плюс еще человечество не факт, что уцелеет, если начнут извергаться массово не вулканы, и даже не супервулканы, а изливаться магма при формировании траппов, вроде Деканских — это массовое излияние лавы, по времени совпавшее с массовым вымиранием, произошедшим 65 миллионов лет назад.
А вот излияние расплава магмы при формировании Сибирских траппов могло быть причиной крупнейшего вымирания в истории Земли:
Не думаю, что человечеству, даже с весьма продвинутыми технологиями, без серьёзнейших человеческих потерь,(про материальные я вообще молчу) удалось бы и дальше выживать на планете, где не отдельные горячие точки в виде вулканов извергаются, а целые гигантские участки территории заливаются раскалёнными потоками лавы плюс километры кубические вулканических газов выделяются в атмосферу — о сельском хозяйстве можно сразу будет забыть, сельскохозяйственные животные тоже не долго протянут.
DGN
Вот "Семиевие" уже написали (туда же сценарий большого астероида), Сахаров вроде как пугал мировую общественность цепной реакцией водорода (дейтерия?) в океанах в результате подрыва особо мощного боеприпаса. Недавно вот коллайдер запускали, и была тема черной дыры поглощающей землю. Быть может какие магматические катаклизмы возможны, было в истории излитие трапов, к примеру.
Hlad
Большой астероид — уйти под воду. По Сахарову — вроде как доказано, что он просто брал на понт. Чёрная дыра микроразмеров испарится практически моментально. Магматические катаклизмы — локальны (тот же Йелоустоун — даже в самых апокалиптических прогнозах не способен уничтожить человечество)
dfgwer
Ну, вообще-то я имел в виду Гиперион и Эндимион, Дэна Симменса. В нем ИИ специально упустил лабораторную черную дыру, чтобы ускорить расселение человечества(если правильно помню мотивацию ИИ). Черная дыра падает в центр Земли и медленно, но верно поглощает Землю, сначало дестабилизируя тектонику.
Это невозможный сценарий с текущим знанием ЧД, масса дыры должна быть чудовищной(по земным меркам), чтобы проглатывать материю с заметной скоростью. А из-за высокой плотности Земли, произойдет такой разогрев материи при падении в ЧД, улетит как взрыволет Орион.
Cryvage
Столкновение с другой планетой.
В качестве бреда: вирус, который делает людей нежизнеспособными, в условиях ненулевой гравитации.
Ещё, в качестве бреда: кто-то разумный, превосходящий людей по военной мощи (инопланетяне, взбесившийся ИИ), поставил условие, убраться с планеты, иначе экстерминатус.
Upd: ещё пришло в голову. Увеличение гравитации на Земле, скажем в 15-20 раз.
Hlad
Насколько я понимаю, планету засекут ещё на дальних подступах, примерно за несколько сотен лет до того, как она станет представлять опасность. А последний вариант — это как раз случай Horizon: Zero Dawn, о котором я упоминал
Cryvage
Я бы не был так уверен, что планету обязательно засекут за сотни лет до сближения с Землёй. Планеты не настолько просто обнаружить. Эриду открыли только в 2005 году. В Википедии написано, что по расчётам, исследовательский аппарат может долететь до неё за 25 лет. А если допустить, что некая планета прилетела к нам впервые, насколько актуальными будут косвенные методы обнаружения? Или тут останется только возможность прямого наблюдения, и всё сведётся к удаче — посмотреть в нужном направлении, в нужное время?
Во избежание путаницы, уточню, для читающих, что это относится к варианту про ИИ и инопланетян, который был последним, до того как я добавил мой «Upd». Неудачно получилось.
AlienJust
Технологическая и не только сингулярность!
ogost
Я думаю, оратор выше имел ввиду наше Солнце. Что-то вроде сферы/роя Дайсона.
domix32
Есть теории, что малюсенькая ЧД может оказаться где-то недалеко за пределами солнечной системы в облаке Оорта или небольшом удалении от него, так что не факт что сотни лет.