Hogyan nyerjünk ki energiát a fekete lyukakból, és ne készítsünk fekete lyuk bombát?

A fekete lyukak masszív energiájának a kinyerésére szolgáló elméleti lehetőség elsőként az 1971-ben felvetett Penrose-eljárás volt. Most azonban ehhez felsorakozott egy új módszer – na de mi az a fekete lyuk-bomba?

A hatalmas gravitációs erejükről ismert fekete lyukak energiájának kinyerése régi felvetés a tudományban. Ennek megfelelően a Roger Penrose-ról elnevezett, 1971-ben felvetett Penrose-eljárás lehetővé is teszi a forgási energia kinyerését a fekete lyukakból, kihasználva a keretelhúzásnak (frame dragging) nevezett hatást. A keretelhúzás jelenségét először Einstein általános relativitáselmélete írta le, és lényegében arra utal, hogy egy forgó tömeg – esetünkben tehát egy fekete lyuk – képes mintegy magával “húzni” vagy “vonszolni” a környező téridőt.

A dolog szemléltetéséhez a téridőt egy rugalmas, kétdimenziós lepedőként képzeljük el! Amikor egy tömeggel rendelkező testet, például egy bolygót vagy csillagot erre a lepedőre helyezünk, akkor az egy mélyedést hoz létre a lepedőn. Ez a mélyedés felel meg annak gravitációs “gödörnek”, amely a tömegvonzást jelzi. Ha pedig az objektumnak nem csak tömege van, de még forgó mozgást is végez, akkor ez a forgás hatással van a környező téridőre is, oly módon, hogy “megcsavarja” vagy “elhúzza” azt a saját forgásirányában. Mindezt a lenti videó a Földünkkel mutatja be röviden:

Ezt a jelenséget nevezzük tehát keretelhúzásnak, mert a forgó test a téridőt úgy húzza magával, mintha egy keretet (vagy keretet képező vonalakat) húzna. Ennek eredményeként egy közeli objektum, amely szabadon mozog a téridőben, nem csak a gravitációs vonzás miatt zuhan a tömeges test felé, hanem a forgó tömeg miatt egy kissé el is “vonszolódik” a forgás irányába.

A keretelhúzás hatása a Föld körül is észlelhető (mint az tehát a fenti animáción is látszik), de rendkívül gyengén. A fekete lyukaknál azonban, különösen a gyorsan forgóknál, a keretelhúzás nagymértékben felerősödik elsősorban az ergoszférának nevezett régióban, ahol a tárgyak a szabad térben akár a fénysebességet meghaladó sebességgel is vonszolhatók.

A Penrose-folyamat úgy működik ennek megfelelően, hogy beléptetünk egy testet egy gyorsan forgó fekete lyuk ergoszférájába, ahol az tömeget vagy sugárzást bocsát ki. Ez a művelet “forgási rúgást” eredményez, amely nagyobb sebességgel löki el a tömeget vagy a sugárzását kibocsátó testet, mint amivel belépett az ergoszférába, ami által lényegében energiát vonunk ki a fekete lyukból és lassítjuk annak a forgását. Elméletileg ezzel a módszerrel a fekete lyuk tömegenergiájának akár 20%-át is ki lehetne nyerni, ami jelentős mennyiség akár a magfúziós folyamatokból származó energiahozamhoz képest is.

Az elméleti fizikusok azonban nem álltak meg itt. Egy nemrégiben megjelent cikk, amely kifejezetten az elméleti fekete lyukakra összpontosít (ami különbözik az általunk megfigyeltektől), az anti-de Sitter (AdS) térben található töltött fekete lyukakat vizsgálja. Ellentétben a mi univerzumunkkal, amelyet a de Sitter tér pozitív kozmológiai állandóval ír le, az AdS térnek negatív kozmológiai állandója van – így ez bár nem a mi univerzumunk reprezentációja, de az AdS így is teret ad az általános relativitáselmélet elméleti feltárására.

Az említett hipotetikus forgatókönyvben a tanulmány a Bañados-Silk-West hatás segítségével vizsgálja az energia kinyerését részecske bomláson keresztül. Ez a módszer elektromágneses vagy fizikai tükörkonstrukciókat használ a fekete lyuk eseményhorizontja közelében, hogy a részecskéket visszaverje. Ezek a részecskék így energiát nyernek, amíg el nem bomlanak, és használható energiává alakulnak át. Ez a módszer azonban kockázatos lehet, mert egy “fekete lyuk bomba” kialakulásához vezethet, ami egy öngerjesztő folyamat, ahol a részecskék energiája folyamatosan növekszik, várhatóan katasztrofális következményekkel.