Létrehozták az első "fekete lyuk bombát" egy laboratóriumban

A fizika világában időről időre olyan kísérletek látnak napvilágot, amelyek a tudomány határait feszegetik, és új perspektívát nyitnak az un...

"Nincs Isten" - Stephen Hawking szerint az idegen élet vagy az időutazás valószínűbb, mint egy isteni teremtő létezése

Ősi idegenek - A Föld fekete lyukai

Elveszve az űrben - A feltámadás

A fizika világában időről időre olyan kísérletek látnak napvilágot, amelyek a tudomány határait feszegetik, és új perspektívát nyitnak az univerzum működésének megértésében.

Egy nemzetközi kutatócsoport nemrégiben áttörést ért el: először hoztak létre laboratóriumi körülmények között egy úgynevezett "fekete lyuk bombát," amely a fél évszázada javasolt Zeldovics-effektus kísérleti bizonyítékát szolgáltatta.

Ez a felfedezés nemcsak a fekete lyukak energiamechanizmusainak megértését segíti elő, hanem új utakat nyithat a hullámok és forgó rendszerek közötti kölcsönhatások kutatásában is.

A Penrose-folyamat: Energia lopása a fekete lyukaktól

Az egész történet 1969-ben kezdődött, amikor Roger Penrose, a híres brit fizikus és matematikus egy forradalmi ötlettel állt elő. Penrose azt javasolta, hogy energiát lehetne kinyerni egy forgó fekete lyukból az úgynevezett ergoszféra - a fekete lyuk eseményhorizontján kívüli régió - kihasználásával. Az ötlet lényege, hogy egy tárgyat az ergoszférába juttatnak, ahol a fekete lyuk forgása felgyorsítja azt, majd a tárgy egy része negatív energiával rendelkező fragmentumként a fekete lyukba zuhan, míg a másik része, immár többletenergiával, kifelé szökik.

"Képzeljük el, hogy egy részecskét nagy távolságból az ergoszférába lövünk, egy olyan pályán, amely a fekete lyuk forgásával ellentétes irányú," - magyarázza Jorge Pinochet, a chilei Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educación fizika tanszékének professzora. "Ha a részecske az ergoszférában két részre hasad, és az egyik darabot a fekete lyuk elnyeli, míg a másik kifelé szökik, a kilépő fragmentum energiája nagyobb lesz, mint az eredeti részecskéé."

Ez a folyamat látszólag megsérti az energia-megmaradás törvényét, de a relativitáselmélet szerint ez nem így van. A kulcs a negatív energia: a fekete lyuk által elnyelt fragmentum negatív energiával rendelkezik, ami csökkenti a fekete lyuk tömeg-energiáját és forgási sebességét. Másképpen fogalmazva, a folyamat során a fekete lyuk rotációs energiáját "ellopjuk".

A Zeldovics-effektus: Forgás és hullámok tánca

Mivel a fekete lyukak nem állnak rendelkezésünkre laboratóriumi kísérletekhez, a Penrose-folyamat gyakorlati tesztelése nehézségekbe ütközött. Ekkor lépett színre Jakov Zeldovics fehérorosz fizikus, aki 1971-ben egy földi körülmények között is vizsgálható analógiát javasolt. Zeldovics ötlete a forgási Doppler-hatáson alapult, amely a jól ismert Doppler-effektus egy változata. A Doppler-hatás során egy mozgó objektum hullámainak frekvenciája megváltozik a megfigyelőhöz képest - például egy sziréna hangja magasabbnak tűnik, amikor az autó közeledik, és alacsonyabbnak, amikor távolodik.

"A forgási Doppler-hatás hasonló, de egy körkörös térben érvényesül," - magyarázza Dr. Marion Cromb, a Southamptoni Egyetem kutatója, a kísérlet vezetője. "A forgó felülethez képest mérve a hullámok frekvenciája megváltozik. Ha a felület elég gyorsan forog, a hullámok frekvenciája akár negatívvá is válhat, ami azt jelenti, hogy a hullám energiát nyer a forgó rendszerből."

Zeldovics elmélete szerint, ha egy forgó objektum szögsebessége elég nagy, a rá érkező hullámok - például hang- vagy elektromágneses hullámok - nem elnyelődnek, hanem felerősödnek, miközben energiát "lopnak" a forgó rendszerből. Ez az úgynevezett Zeldovics-effektus.

A kísérlet: Felerősített hullámok és fekete lyuk analógia

A kutatócsoport először hanghullámokkal tesztelte az elméletet. Egy forgó korongra hanghullámokat irányítottak, és megfigyelték, hogy a hullámok frekvenciája megváltozik, jelezve, hogy energiát nyertek a korong forgásából. Később a kísérletet elektromágneses hullámokkal is elvégezték, ami még közelebb vitte őket a fekete lyukak viselkedésének szimulálásához.

"A Zeldovics-effektus azon az elven működik, hogy a szögimpulzussal rendelkező hullámok, amelyeket egy objektum normálisan elnyelne, ehelyett felerősödnek, ha az objektum elég gyorsan forog," - mondja Cromb. A kísérlethez egy gyorsan forgó alumínium hengert használtak, amelyre elektromágneses hullámokat irányítottak. A henger forgási sebességét úgy állították be, hogy a hullámok a henger perspektívájából "negatív frekvenciával" érkezzenek, ami a hullámok felerősödését eredményezte.

A kutatók azonban nem álltak meg itt. Egy még ambiciózusabb célt tűztek ki: egy "fekete lyuk bomba" analógiájának létrehozását. A fekete lyuk bomba elmélete szerint egy forgó fekete lyuk körül az energiát visszaverő mechanizmusok révén a hullámok folyamatosan felerősödnek, ami egy exponenciális energia-növekedést, vagyis "robbanást" eredményez. A laboratóriumban a kutatók egy forgó alumínium hengert és egy alacsony veszteségű rezonátort kombináltak, amely lehetővé tette, hogy a rendszer spontán elektromágneses hullámokat generáljon, kizárólag zajból kiindulva.

"Kísérletileg igazoltuk, hogy egy mechanikusan forgó fémhenger nemcsak felerősíti a forgó elektromágneses mezőt, hanem egy alacsony veszteségű rezonátorral párosítva instabillá válik, és generátorként működik," - írják a kutatók a tanulmányukban, amely az arXiv preprint szerveren jelent meg, és jelenleg szakértői felülvizsgálatra vár. (1)

Mit jelent ez a jövőre nézve?

Bár a kísérlet nem valódi fekete lyukat használt, a létrehozott analógia fontos lépés a fekete lyukak energiamechanizmusainak megértésében. A fekete lyuk bomba analógiája azt sugallja, hogy a fekete lyukak valóban képesek lehetnek hullámok felerősítésére az ergoszférájukban, ami új kérdéseket vet fel az asztrofizikában és a relativitáselméletben.

A kutatók szerint a következő kihívás az, hogy megfigyeljék a spontán elektromágneses hullámgenerálást és a vákuumból induló exponenciális felerősödést. Ez azonban már "pusztán technológiai" kihívás, bár rendkívül nehéz. A kísérlet eredményei nemcsak a fekete lyukak fizikájára, hanem a forgó rendszerek és hullámok közötti kölcsönhatások szélesebb körű megértésére is hatással lehetnek, például az optikában, az akusztikában vagy akár az energiaátviteli technológiákban.

Ez a felfedezés egy újabb bizonyítéka annak, hogy a fizika képes az univerzum legextrémebb jelenségeit földi körülmények között modellezni. A Zeldovics-effektus kísérleti igazolása és a fekete lyuk bomba analógiájának létrehozása nem csupán tudományos bravúr, hanem egy lépés afelé, hogy közelebb kerüljünk az univerzum titkainak megfejtéséhez. (2)

(1) - https://arxiv.org/abs/2503.24034
(2) - https://www.iflscience.com/black-hole-bomb