Черните дупки: Енергоизточниците на бъдещето?

24 декември 2018 г., 18:01
1772

Vadim Sadovski / Shutterstock

Нощта е озарена от светлината на хиляди звезди, някои от които десетки пъти по-големи от Слънцето. Зад лъчите на всяка се крие огромно количество енергия - невъобразимо повече, отколкото може да произведе цялото ядрено и изкопаемо гориво на Земята.

Парадоксално, но истинските енергийни „шампиони” на Космоса са обвити в мрак и мистерия. Въпреки че някои от тях имат маса, милиарди пъти по-голяма от звездната, и може би произвеждат половината от енергията в нашата Вселена, никога не бихте могли да забележите тези галактически странници с просто око. В действителност дори и с най-модерната апаратура за наблюдение на Космоса учените успяха да докажат съществуването им едва преди няколко десетилетия. Става дума за черните дупки – зони в космическото пространство, където на малка площ е съсредоточена толкова силна гравитация, че дори светлината не може да избегне тяхната хватка. Истински галактически хищници, черните дупки могат да разкъсат и погълнат с гравитационното си поле цели звезди и планети като Земята. Учените смятат, че щом една частица премине границата около една черна дупка, известна като „хоризонт на събитията”, тя вече е изгубена за нашата Вселена.

Въпреки страшната му слава

през последните години мнозина изследователи разглеждат този феномен не като опасност, а като неочаквана възможност за човечеството. Огромната енергия, заключена в черните дупки, би могла да ги превърне в истински космически електроцентрали, които да захранват цялата планета, или в двигатели, с които бъдещите космически кораби да развиват скорост, близка до тази на светлината, преодолявайки разстоянията до недостижимите за момента звезди.

И все пак – какво знаем за черните дупки? Според най-популярната теория те се зараждат след гравитационния колапс на звезди, изчерпали водородното си гориво. В този смъртен гърч звездата буквално се смачква под въздействието на огромната си гравитация и нейните милиарди тонове материя се сгъстяват до невъобразимо малко пространство. Теоретично съществуват и първични черни дупки, оформени още по времето на Големия взрив, когато материята се е намирала в много по-компактно състояние от сега.

Веднъж появили се, черните дупки лакомо започват да придърпват всичко към себе си,

включително и светлинните лъчи. Теоретично те могат да варират от истински дребосъци с размер 0,1 мм и маса, равна на лунната, до титани с големина от милиони километри и маса, милиарди пъти по-голяма от тази на Слънцето.

Смята се, че почти всяка галактика, включително и Млечният път, крие в центъра си именно такава огромна черна дупка. Тази в ядрото на нашата галактика, наречена Sagittarius A, най-вероятно се намира на около 27 хил. светлинни години от Земята, а масата й се равнява на тази на 4 млн. слънца като нашето.

Гравитацията е и един от основните индикатори, според който астрономите са в състояние да определят къде в нашата Вселена дебнат черните хищници. Със самото си присъствие черните дупки изкривяват светлината и могат да променят движението на звездите. Улики за наличието на черна дупка може да бъдат също така наречените акреционни дискове – въртопи от свръхгореща материя, които кръжат около тях. Черните дупки могат и да изхвърлят горещи струи газ, които понякога достигат дължини от хиляди светлинни години. Внезапен изблик на рентгенови или гама-лъчи също може да подскаже на учените къде се намира черната дупка.

Как обаче да бъде впрегната титаничната енергия, заключена в гравитационните зверове?

Потенциалът в случая се крие в ергосферата на онези черни дупки, които се въртят. Според теорията на относителността тя представлява елипсоид около хоризонта на събитията, в който времето и пространството се усукват около черната дупка и се намират в състояние на движение. Там се създава тъй нареченият акреционен диск, в който попадналата материя – газ, прах и прочее, се движи с огромна скорост, загрява се от триенето и генерира топлина, електромагнитно поле и разнообразна радиация. Теоретично това превръща диска в гигантска електроцентрала, чиято енергия може да се абсорбира от инсталации, наподобяващи соларните панели, захранвани от слънчевите лъчи. Английският физик Роджър Пенроуз смята, че въртящата се черна дупка може да се използва едновременно като електроцентрала и като пречиствателна станция, тъй като практически

отпадъците, които ще бъдат изхвърляни в нея, ще се превръщат в енергия

Други - като Стив Алън от Института за астрофизика и космология на елементарните частици в Станфорд - търсят разковничето в струите нагорещен газ, които черните дупки изхвърлят на хиляди светлинни години. През 1918 г. астрономът Хебър Къртис открива подобна струя, идваща от галактиката М87. Според астрономите този поток от елементарни частици, простиращ се на 5000 светлинни години от галактиката майка, е свидетелство за наличието на свръхмасивна черна дупка в центъра на М87. От него се излъчва енергия под формата на рентгенови или гама лъчи, в които се крие огромен потенциал. Според Стив Алън става дума за „милиарди, милиарди, милиарди ватове”, които само чакат да бъдат усвоени.

Не е за пренебрегване и магнитното поле на черните дупки.

Учени от Университета в Лос Аламос разглеждат хипотезата, че акреционният диск може да играе ролята на гигантско динамо. Според Стърлинг Колгейт и колегите му от лабораторията в Лос Аламос дискът се наелектризира от триенето с материята и създава мощно магнитно поле, което се увива и стяга около черната дупка подобно на ластик около пръст. Междувременно около тази система се завихрят звезди и други небесни тела. Учените смятат, че когато една звезда се сблъска с диска, ударът отклонява част от магнитните потоци и създава магнитни полета под ъгъл от 90 градуса спрямо акреционния диск, с две думи - истинско динамо. По този начин голяма част от магнитната енергия успява да „избяга” извън хватката на черната дупка и изтича в Космоса. Става дума за огромни количества „безплатна” енергия, която, ако бъде усвоена, може да задвижи всеки електроуред на Земята.

Друг метод, чрез който черните дупки могат да се преобразуват в електроцентрали,

е извличането на Хокинговата радиация. Първото предположение за наличието на това лъчение е направено от прословутия физик Стивън Хокинг през 1974 г. Изследователят оборва класическата теория, че нищо, дори радиацията не може да избяга от черната дупка. С помощта на квантовата физика Хокинг обяснява, че в близост до хоризонта на събитията чудовищната гравитация буквално създава двойки частици и античастици. Едната от частиците бива погълната, докато другата успява да „избяга” от притеглянето и бива излъчена под формата на термална радиация. Интересното в случая е, че най-подходящи за извличане на Хокингова радиация са най-малките черни дупки. В случая става дума за обект с размерите на протон, но с маса от милиарди тонове. Позовавайки се на Хокинг, научните писатели Майкъл Уайт и Джон Грибин обясняват, че подобна мини черна дупка би трябвало да излъчва температура от над 100 млрд. келвина. Тъй като е толкова малка, че трудно би могла да абсорбира материя, тя ще излъчва повече енергия, отколкото поема, и ще се смалява, ставайки все по-гореща, докато накрая не се изпари в зрелищен взрив!

Въпреки гореспоменатите перспективи за използването на космическите черни дупки като неизчерпаем енергиен ресурс съществуват

няколко проблема пред този сценарий, които могат да охладят ентусиазма

и на най-големия мечтател. Първо – ние все още не сме съвсем сигурни къде точно се намират тези феномени. За момента най-близкият открит обект, който е евентуален кандидат за наличие на черна дупка, е двойната звезда V404 Cygni, която се намира на около 10 светлинни години от Земята. Това означава, че в най-добрия случай ще трябва да пътуваме близо 94 трилиона километра (или около половин милион години със сегашните космически кораби), за да проучим има ли там черна дупка и как можем да я експлоатираме. След като в близост до планетата ни поне до момента не е открита черна дупка, какво би могло да бъде разковничето на проблема?

Много просто – да си „построим” една и какво по-добро средство за това от Големия адронов ускорител

(ГАУ)? Според физиците от ЦЕРН, който създаде тази инсталация, в 27-километровия тунел, предназначен да сблъсква елементарни частици с висока скорост, наистина е възможно да се оформят микроскопични черни дупки. Те обаче не биха могли да се използват (нито да представляват заплаха за Земята), тъй като техният живот би бил относително кратък и излъчвайки Хокингова радиация, те биха се изпарили за 10-26  секунди. Ако ГАУ наистина е в състояние да произведе черна дупка, то това означава, че космическите лъчи, които бомбардират атмосферата ни от милиарди години и притежават много повече енергия, би трябвало да могат същото. Фактът, че въпреки това нашата планета все още не е погълната, говори, че дори да съществуват, подобни микро черни дупки не са опасни. Дори ГАУ да произведе стабилна черна дупка, нейната начална скорост би била толкова голяма, че тя твърде бързо би напуснала очертанията на нашата планета.

Учените обаче не се отказват.

Улф Леонард и екипът му от Университета в Сейнт Ейндрюс създадоха в лабораторни условия модел, в който по оптични влакна се пускат светлинни импулси по такъв начин, че се оформя огледална „бяла дупка“, която отблъсква всякаква материя, насочена срещу нея, и респективно черна дупка на другия край на системата. Въпреки че експериментът далеч не пресъздава реалните условия, в които се оформя и съществува черната дупка, той е добра крачка напред в изучаването на модела, по който феноменът взаимодейства с физическото пространство.

И ако черните дупки като космически електростанции могат да захранят не само Земята, а безброй други светове,

какво бихте казали за пътуване между звездите със скорост, по-висока от светлинната?

Според теорията на относителността в нашата Вселена един обект с маса ще има нужда от безкрайно количество енергия, за да надмине скоростта на светлината (300 000 км/сек). Този проблем прави пътуването до звездите, отдалечени понякога на хиляди светлинни години от Земята, невъзможно. Така наречените червееви дупки обаче предлагат интересно разрешение. Червеевата дупка представлява особено усукване на пространствено-времевия континуум. Това на теория създава тунел в пространството, който може значително да съкрати пътя от точка А до точка Б или в случая до недостижимите звезди. Теоретично черната дупка може да представлява вход към подобен тунел, като на другия му край ще се намира бяла дупка, която ще изхвърля материята. Идеалният вариант би бил космически кораб, който може да влезе в тунела и да пропътува десетки светлинни години само в рамките на няколко дни или месеци. По този начин в червеевата дупка корабът ще пътува по-бързо, отколкото светлината в „нормалното” пространство.  

Мистерия, заплаха, електроцентрали или свръхскоростни магистрали за бъдещата галактическа колонизация – черните дупки и науката тепърва ще имат думата по въпроса…

Автор: Николай Тодоров

Ключови думи:
Коментари