Физики впервые в лабораторных условиях продемонстрировали механизм, который теоретически может позволить извлекать энергию из быстро вращающейся чёрной дыры. Эксперимент подтвердил физический процесс, предсказанный более 50 лет назад, и показал, что энергия вращения может передаваться волнам и использоваться для их усиления.
Идея такого процесса была предложена английским физиком и математиком сэром Роджером Пенроузом в 1969 году. Учёный предположил, что энергию можно получить от чёрной дыры Керра — быстро вращающейся чёрной дыры без электрического заряда, существование которой описал новозеландский математик Рой Керр.
Согласно механизму Пенроуза, объект, попавший в область вокруг вращающейся чёрной дыры, называемую эргосферой, может разделиться на две части. Один фрагмент должен упасть за горизонт событий, а второй способен покинуть окрестности чёрной дыры, унося с собой больше энергии, чем имел исходный объект.
Эргосфера представляет собой область за пределами горизонта событий, где вращение чёрной дыры заставляет само пространство-время вращаться вокруг неё. В этой зоне невозможно оставаться неподвижным относительно далёкого наблюдателя, поскольку движение пространства становится неотделимо от вращения самого объекта.
Позже, в 1971 году, советский физик Яков Зельдович развил идеи Пенроуза и предположил, что волна, взаимодействующая с достаточно быстро вращающимся объектом, может не только получать от него энергию, но и усиливаться. Теперь исследователи из Центра передовых научных исследований Городского университета Нью-Йорка (CUNY-ASRC) впервые экспериментально подтвердили этот принцип в лабораторном масштабе.
Эксперимент не был связан с настоящей чёрной дырой, а использовал искусственную систему, которая воспроизводит ключевые физические особенности экстремального вращения.
«Наш подход создаёт новый метод взаимодействия волн и материи, при котором волны с определёнными вращательными свойствами извлекают энергию из искусственно созданного вращения, изменяемого во времени, создавая форму селективного широкополосного усиления», — объяснил соавтор исследования Андреа Алу, профессор физики CUNY Graduate Center и основатель фотонного направления CUNY ASRC.
Для проверки теории Пенроуза и Зельдовича исследователи разработали устройство, способное имитировать сверхбыстрое вращение без фактического механического движения. Вместо того чтобы заставлять физический объект вращаться с огромной скоростью, учёные использовали радиочастотную систему, параметры которой изменялись одновременно в пространстве и времени.
Экспериментальная установка состояла из кольцевого массива электронных резонаторов. Их свойства можно было быстро менять по заранее заданной временной последовательности, создавая движущийся вокруг кольца искусственный узор.
Хотя само устройство оставалось неподвижным, электромагнитные волны воспринимали систему так, будто она вращалась с чрезвычайно высокой скоростью. Таким образом, исследователи создали своеобразную «синтетическую» вращающуюся среду, которая имитировала условия, возникающие рядом с быстро вращающейся чёрной дырой.
Такой подход позволил обойти ограничения, которые десятилетиями мешали экспериментально изучать физику экстремального вращения. Механические системы не способны достигать скоростей, необходимых для проверки подобных эффектов, однако искусственное вращение позволило воспроизвести необходимые условия.
«Этот успешный эксперимент позволяет перейти от теории к практике в изучении экстремальной вращательной динамики и создаёт универсальную платформу для исследования явлений на пересечении астрофизики, физики волн и квантовой физики», — заявила Хадисех Насари, ведущий автор исследования и постдокторант фотонной инициативы CUNY ASRC.
Учёные также проверили, могут ли электромагнитные волны взаимодействовать с неподвижным устройством так, будто оно вращается с экстремальной скоростью, и извлекать энергию из созданного искусственного движения.
По словам Хади Муссы, соавтора исследования и бывшего аспиранта фотонной инициативы CUNY ASRC, волны с подходящими вращательными характеристиками действительно извлекали энергию из системы и усиливались. Таким образом, эксперимент воспроизвёл ключевую физику процесса Пенроуза–Зельдовича.
Исследователи считают, что полученные результаты имеют значение не только для фундаментальной науки, но и для развития технологий связи, оптики и фотоники. Созданная платформа может стать инструментом для изучения экстремальных физических систем и в будущем помочь в разработке новых беспроводных и квантовых коммуникационных технологий.
При этом учёные подчёркивают, что до практического применения этих идей ещё далеко. Потребуются дополнительные исследования, чтобы понять возможности масштабирования технологии и определить, какие реальные устройства могут быть созданы на основе обнаруженного эффекта.
Исследование в журнале Nature.