En sort hulbombe – en idé, der først blev foreslået i 1969 – er nu blevet realiseret i laboratoriet som en legetøjsmodel lavet af en roterende cylinder og magnetiske spoler. At studere bomben kunne hjælpe os med at forstå ægte sorte huller bedre.
Foder et sort hul nok energi, og du kan skabe en eksplosion
Fysikere har bygget den første sorte hulbombe nogensinde, et langtoriseret fænomen, hvor energi øges af et sort hul og fanget af omgivende spejle, indtil der opstår en eksplosion. Heldigvis er denne version bare en sikker legetøjsmodel snarere end at bruge et rigtigt sort hul i rummet, men da de fysiske principper er identiske, kan det at studere den hjælpe forskere med bedre at forstå, hvordan rigtige sorte huller drejer.
Ideen om at udtrække energi fra et sort hul blev først foreslået i 1969 af fysikeren Roger Penrose. Han bemærkede, at en partikel, der flyver ekstremt tæt på et spindende sort hul, får energi på grund af en mærkelig virkning af generel relativitet, der ser det sorte hultræk og fremskynde rumtid omkring det.
To år senere indså en anden fysiker, Yakov Zeldovich, at en lignende proces kunne forekomme i andre scenarier, som lys, der bevæger sig rundt i en hurtigt spinning metalcylinder. Han beregnet, at denne “superradiance” -effekt skulle forekomme, så længe cylinderen drejes med samme frekvens som lyset – men dette er utroligt hurtigt. ”Det er umuligt at rotere noget (lavet) af stof ved denne slags hastigheder,” siger Hendrik Ulbricht på University of Southampton, UK.
Zeldovich foreslog også, at den amplificerede energi ved at omringe den roterende cylinder med et cylindrisk spejl kunne afspejles og opbygges i en positiv feedback -loop, indtil energien enten udluftes, eller den eksploderer. På anvendelse af denne idé til sorte huller kunne man bruges til at producere en ”sort hulbombe”, der frigiver lige så meget energi som en supernova. Dette ville også fungere, selv uden en ekstern energikilde, med det sorte hul, der forstærker små elektromagnetiske udsving i selve vakuumet, hvilket effektivt producerer energi fra støj.
Alt dette forblev teoretisk, men nu har Ulbricht og hans kolleger fundet en måde at demonstrere Zeldovichs feedback -loop ved hjælp af en roterende aluminiumscylinder og magnetiske felter. Ulbricht byggede den første prototype under Storbritanniens første covid-19-lockdown i 2020. “Alt var lukket, og jeg var virkelig keder, og jeg ville gøre noget, så jeg byggede opsætningen og begyndte at gøre disse eksperimenter, og jeg så amplifikation. Jeg var så super begejstret, at du faktisk kunne sige, at det reddede mig under Covid.”
Han rekrutterede snart kolleger til at opbygge en mere robust eksperimentel opsætning, der består af en roterende aluminiumscylinder, der er drevet af en elektrisk motor, omgivet af tre lag metalspiraler, der producerer et magnetfelt, der også roterer rundt om cylinderen med en lignende hastighed. I denne opsætning fungerer spolerne som spejlet og magnetfeltet som lys, og som Zeldovich forudsagde, producerede dette et endnu større magnetfelt, der stammede fra cylinderen.
”Du kaster en lavfrekvent elektromagnetisk bølge mod en spindingcylinder, som ville tro, at du kommer mere tilbage end hvad du kastede ind? Det er helt sindssygende,” siger Vitor Cardoso ved University of Lissabon i Portugal.
Ulbricht og hans team viste derefter, at selv uden de spoler, der producerede et eksternt magnetfelt til at begynde med, ville opsætningen stadig generere et løbsk signal i de omgivende spoler, ligesom det teoretiske eksempel på et sort hul uden en ekstern energikilde. ”Vi genererer dybest set et signal fra støj, og det er den samme ting, der sker i det sorte hulbombeforslag,” siger Ulbricht.
”At have nøjagtige målinger i laboratoriet i denne proces giver dig virkelig mulighed for at med sikkerhed sige,” Ja, dette skal også ske i sort hulfysik ”, siger Cardoso.
Mens laboratorieversionen kun er en analog, kan det hjælpe fysikere med at forstå, hvordan ægte sorte huller giver energi til partikler omkring dem. Dette kan hjælpe med at teste teoretiske ideer om endnu usete partikelfelter, såsom en, der giver anledning til mørkt stof.
”Hvis der findes nye felter, skal vi f.eks. Se gravitationsbølger, der udsendes fra denne sky omkring sorte huller, eller vi skal se sorte huller, der drejer ned, fordi de giver deres energi væk til disse nye partikler,” siger Cardoso. “Så Superradiance forvandler sorte huller til partikeldetektorer, og meget bedre partikeldetektorer end (den store Hadron Collider at) CERN kan være for denne type mørke stof.”