Nach 50 Jahren zeigt ein Experiment endlich, dass Energie aus einem Schwarzen Loch gewonnen werden kann

Ein 50 Jahre alter theoretischer Prozess zur Gewinnung von Energie aus einem rotierenden schwarzes Loch hat endlich eine experimentelle Verifizierung.

Anhand eines Analogons der erforderlichen Komponenten haben Physiker gezeigt, dass der Penrose-Prozess tatsächlich ein plausibler Mechanismus ist, um einen Teil dieser Rotationsenergie herauszuschlürfen – falls wir jemals die Möglichkeit dazu entwickeln könnten.

Das ist unwahrscheinlich, aber die Arbeit zeigt, dass eigenartige theoretische Ideen hervorragend zur Erforschung der physikalischen Eigenschaften einiger der extremsten Objekte im Universum eingesetzt werden können.

Schwarze Löcher sind wild – das Endstadium des Lebenszyklus eines Sterns, der so massereich ist, dass der Kern, sobald er zur Supernova geworden ist, seiner eigenen Schwerkraft nicht mehr standhalten kann und völlig in eine Singularität kollabiert – einen einzigen eindimensionalen Punkt unendlicher Dichte.

Diese Singularität befindet sich innerhalb einer Region namens Ereignishorizont – dem Punkt, an dem die Schwerkraft um das Schwarze Loch so stark ist, dass nicht einmal die Lichtgeschwindigkeit ausreicht, um eine Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen. Und außerhalb des Ereignishorizonts wird ein ausgedehnter Bereich der Raumzeit so verdreht, wie er ist gezogen zusammen mit der Rotation des Schwarzen Lochs, ein Effekt namens Frame-Ziehen .

Hier kommt der Penrose-Prozess ins Spiel. 1969 mathematischer Physiker Roger Penrose vorgeschlagen dass eine Region knapp außerhalb des Ereignishorizonts namens Ergosphäre, in der das Frame-Draging am stärksten ist, zur Energiegewinnung genutzt werden könnte.

Nach den Berechnungen von Penrose würde ein Teil über den Ereignishorizont hinausgeschleudert, wenn ein in die Ergosphäre fallendes Objekt in zwei Teile geteilt würde.

Der andere würde jedoch mit einem zusätzlichen Stoß vom Schwarzen Loch nach außen beschleunigt. Wenn alles richtig liefe, würde es mit rundherum aus der Ergosphäre herauskommen 21 Prozent mehr Energie als es mit eintrat.

Wir können nicht einfach zu einem Schwarzen Loch fliegen, um das zu testen. Aber 1971 sowjetischer Physiker Jakow Seldowitsch schlug vor ein praktischeres Experiment. Sie könnten das Schwarze Loch durch einen rotierenden Metallzylinder ersetzen und verdrehte Lichtstrahlen darauf abfeuern. Wenn sich der Zylinder mit genau der richtigen Geschwindigkeit drehte, würde das Licht aufgrund einer Eigenart des sogenannten Rotations-Doppler-Effekts mit zusätzlicher Energie aus der Rotation des Zylinders zurückreflektiert.

Wenn Sie ein sind regelmäßiger Leser Vielleicht kennen Sie diesen Effekt bereits: Er entsteht, wenn eine rotierende Quelle Wellen aussendet, die sich je nach Drehrichtung verkürzen und verlängern. Die Wellen auf der Seite, die sich auf Sie zudreht, scheinen sich zu verkürzen. Wellen von der wegrotierenden Seite scheinen sich zu verlängern. So können Astronomen Messen Sie die Drehungen von Sternen und Galaxien.

Es gab nur ein Problem mit Seldowitschs Vorschlag. Die Geschwindigkeit des rotierenden Zylinders müsste mindestens 1 Milliarde Umdrehungen pro Sekunde betragen – denken Sie daran, es gibt immer noch eine viel Raum für Unpraktikabilität in „praktischer als ein schwarzes Loch“.

So blieb die Sache liegen – bis ein Team von Physikern der School of Physics and Astronomy der University of Glasgow in Schottland auftauchte. Sie entwickelten ein Experiment, das auf Zel'dovichs Arbeit basierte – aber statt Lichtwellen verwendeten sie Schallwellen.

Das Experiment. (Cromb et al., Nature Physics, 2020)

Das Experiment bestand aus einem Lautsprecherring, der so aufgebaut war, dass er eine Verdrehung der Schallwellen erzeugte, analog zu dem verdrehten Licht in Zel'dovichs Experiment. Das „Schwarze Loch“ war ein rotierender Schallabsorber aus einer Schaumstoffscheibe, deren Rotation sich beschleunigte, wenn die Schallwellen auf sie trafen. Eine Reihe von Mikrofonen auf der anderen Seite der Scheibe würde die Schallwellen erfassen, nachdem sie die Scheibe passiert haben.

Der entscheidende Beweis für den Penrose-Prozess war eine Tonhöhen- und Amplitudenverschiebung der Schallwellen, die durch die Scheibe gingen.

„Die verdrehten Schallwellen ändern ihre Tonhöhe, wenn sie aus der Sicht der rotierenden Oberfläche gemessen werden“, erklärte die Physikerin und Astronomin Marion Cromb von der University of Glasgow, Hauptautor der Arbeit des Teams.

„Wenn sich die Oberfläche schnell genug dreht, kann die Schallfrequenz etwas sehr Seltsames bewirken – sie kann von einer positiven zu einer negativen Frequenz wechseln und dabei der Rotation der Oberfläche etwas Energie entziehen.“

Die Ergebnisse waren erstaunlich. Als sich die Rotation der Scheibe beschleunigte, verringerte sich die Tonhöhe, die auf die Mikrofone traf, bis sie nicht mehr hörbar war. Dann begann es wieder auf die ursprüngliche Tonhöhe anzusteigen – allerdings 30 Prozent lauter als der Ton, der aus den Lautsprechern kam. Die Schallwellen nahmen zusätzliche Energie von der rotierenden Scheibe auf.

(Universität Glasgow)

„Was wir während unseres Experiments hörten, war außergewöhnlich“ sagte Cromb .

„Was passiert, ist, dass die Frequenz der Schallwellen mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit durch Dopplereffekt auf Null verschoben wird.“ Wenn der Ton wieder zu hören ist, liegt das daran, dass die Wellen von einer positiven Frequenz zu einer negativen Frequenz verschoben wurden. Diese Wellen mit negativer Frequenz sind in der Lage, der sich drehenden Schaumstoffscheibe einen Teil der Energie zu entziehen und dabei lauter zu werden – genau wie Zel'dovich 1971 vorgeschlagen hat.“

Das Team möchte herausfinden, wie diese Forschung auf elektromagnetische Wellen – Licht – ausgeweitet werden kann, aber diese Forschung ist ein ziemlich beeindruckender Fortschritt beim Verständnis von Schwarzen Löchern. Es zeigt, wie ihre extremen Eigenschaften in Laborumgebungen untersucht werden können, wenn man über die richtigen Werkzeuge verfügt – und sie müssen nicht immer ausgefallen sein, Hightech-Bose-Einstein-Kondensate .

Forschung wie diese könnte auch zu neuen Technologien führen, wenn es gelingt, dieses faszinierende Phänomen nutzbar zu machen.

„Wir sind hocherfreut, dass wir ein halbes Jahrhundert, nachdem die Theorie erstmals vorgeschlagen wurde, eine äußerst seltsame Physik experimentell bestätigen konnten.“ sagte der Physiker Daniel Faccio der Universität Glasgow.

„Es ist seltsam zu glauben, dass wir hier in unserem Labor im Westen Schottlands eine ein halbes Jahrhundert alte Theorie mit kosmischen Ursprüngen bestätigen konnten, aber wir glauben, dass es viele neue Wege der wissenschaftlichen Erforschung eröffnen wird.“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik .