Физики «взорвали» черную дыру? Да, но есть нюанс (и он в лаборатории)
Черные дыры — пожалуй, самые загадочные и пугающие объекты во Вселенной. Их гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться наружу. Кажется, что они могут только поглощать. Но что, если я скажу вам, что черная дыра может стать источником колоссальной энергии, способной устроить взрыв мощностью со сверхновую? Звучит как научная фантастика? Возможно. Но именно эту идею, известную как «бомба черной дыры», недавно удалось частично воспроизвести… прямо здесь, на Земле, в лаборатории. Спокойно, никакой реальной черной дыры поблизости нет! Речь идет об остроумной физической модели, которая, тем не менее, открывает поразительные перспективы.
Откуда дровишки? Энергия из вращения
Всё началось еще полвека назад. В 1969 году знаменитый физик Роджер Пенроуз (да-да, тот самый, нобелевский лауреат) задумался: а нельзя ли как-то «обокрасть» черную дыру? Он понял, что если черная дыра вращается (а большинство из них вращаются, и очень быстро!), то она буквально тащит за собой само пространство-время вокруг. Представьте себе закрученный водоворот — он увлекает все, что попадает рядом. Пенроуз показал, что частица, пролетающая очень близко к такой вращающейся «мясорубке» пространства-времени, может «украсть» часть энергии ее вращения и улететь прочь, став энергичнее, чем была до этого. Энергия берется не из самой «дыры», а именно из ее вращения.
Идея Пенроуза была красивой, но касалась только частиц. А что насчет волн, например, света? Тут на сцену вышел другой выдающийся физик, Яков Зельдович. В 1971 году он предположил, что похожий эффект, названный сверхизлучением (superradiance), должен наблюдаться и с волнами. Только вместо черной дыры он рассмотрел более «простой» объект — быстро вращающийся металлический цилиндр. Зельдович рассчитал: если на такой цилиндр направить, скажем, световую волну, то отраженная волна может оказаться… сильнее падающей! Цилиндр, как и черная дыра Пенроуза, отдает часть своей энергии вращения волне.
Правда, была одна загвоздка: чтобы эффект сработал со светом, цилиндр должен вращаться с немыслимой скоростью, сравнимой с частотой самой световой волны. «Невозможно заставить вращаться какой-либо материальный объект с такими скоростями», — разводит руками Хендрик Ульбрихт из Саутгемптонского университета, один из авторов недавнего эксперимента.
Но Зельдович пошел дальше. А что если окружить этот вращающийся цилиндр (или черную дыру) идеальным зеркалом? Тогда усиленная волна отразится обратно, снова усилится от вращения, снова отразится… Возникнет лавинообразный процесс накопления энергии. В конце концов, эта энергия либо найдет выход, либо приведет к мощнейшему выбросу — той самой «бомбе черной дыры». И самое поразительное: для запуска этого процесса не нужен даже первоначальный источник света! Черная дыра или цилиндр могли бы усиливать крошечные, всегда существующие случайные колебания электромагнитного поля в вакууме — так называемые квантовые флуктуации. По сути, генерировать энергию из «шума»!
Как уместить космос на столе?
Десятилетиями идея Зельдовича оставалась чисто теоретической. Как проверить ее, если нельзя так раскрутить цилиндр? И вот команда под руководством Хендрика Ульбрихта нашла гениально простое решение. Вместо того чтобы пытаться достичь невозможных скоростей вращения для световых волн, они решили использовать волны с гораздо более низкой частотой — электромагнитные волны, создаваемые магнитным полем.
Их установка выглядит так: есть алюминиевый цилиндр, вращаемый обычным электромотором. Вокруг него — система из трех слоев металлических катушек. Эти катушки выполняют две роли: во-первых, они создают вращающееся магнитное поле (это аналог наших «волн»), а во-вторых, они же служат «зеркалом», отражающим это поле обратно к цилиндру. Скорость вращения цилиндра и магнитного поля подобраны так, чтобы выполнялось условие Зельдовича для сверхизлучения.
И что же они увидели? Направляя на вращающийся цилиндр слабое магнитное поле, они действительно регистрировали исходящее поле, которое было сильнее первоначального! Эффект сверхизлучения был подтвержден экспериментально. «Вы направляете низкочастотную электромагнитную волну на вращающийся цилиндр — кто бы мог подумать, что обратно вы получите больше, чем послали? Это совершенно умопомрачительно», — комментирует Витор Кардозу из Лиссабонского университета, не участвовавший в работе.
Но настоящий триумф ждал впереди. Ученые попробовали провести эксперимент вообще без первоначального магнитного поля от катушек. И что вы думаете? Установка сама начала генерировать измеримый сигнал! Вращающийся цилиндр начал усиливать тот самый фоновый «шум» — случайные электромагнитные флуктуации — и катушки-«зеркала» запустили лавинообразный процесс накопления энергии, предсказанный Зельдовичем. «Мы, по сути, генерируем сигнал из шума, и это то же самое, что происходит в гипотезе о бомбе черной дыры», — объясняет Ульбрихт. Любопытно, что первый прототип Ульбрихт собрал у себя дома во время локдауна 2020 года — вот такое неожиданное «спасение от скуки»!
Зачем нам «игрушечная» черная дыра?
Хорошо, физики создали остроумную модель, подтвердили теорию полувековой давности. Но какая от этого польза, если это не настоящая черная дыра?
Огромная! Во-первых, такие лабораторные аналоги позволяют детально изучать физические процессы, которые происходят в экстремальных условиях космоса, куда мы пока не можем заглянуть напрямую. «Наличие точных лабораторных измерений этого процесса действительно позволяет уверенно сказать: «Да, это должно происходить и в физике черных дыр»», — подчеркивает Кардозу. Мы можем лучше понять, как именно вращающиеся черные дыры взаимодействуют со своим окружением, как они теряют энергию.
А во-вторых — и это, пожалуй, самое захватывающее — этот эксперимент открывает дорогу к совершенно новому способу поиска… темной материи и других гипотетических частиц! Идея вот в чем: если во Вселенной существуют какие-то неизвестные нам легкие частицы или поля (а темная материя — главный кандидат), они тоже могли бы взаимодействовать с вращающимися черными дырами через механизм сверхизлучения.
Представьте: вокруг черной дыры образуется огромное облако таких частиц, которые «воруют» энергию ее вращения. Что мы должны увидеть? Во-первых, сама черная дыра должна постепенно замедлять свое вращение. Во-вторых, это облако частиц может испускать специфические гравитационные волны, которые мы могли бы зарегистрировать на Земле.
«Таким образом, сверхизлучение превращает черные дыры в детекторы частиц», — говорит Кардозу. — «И для определенного типа темной материи они могут оказаться гораздо лучшими детекторами, чем Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе». Подумать только: самые загадочные объекты Вселенной могут стать нашими инструментами для раскрытия другой великой тайны — природы темной материи.
Так что крошечная «черная дыра» на лабораторном столе — это не просто забавная игрушка. Это ключ к пониманию фундаментальных законов природы, работающих как в недрах атома, так и в безднах космоса. И кто знает, какие еще сюрпризы преподнесет нам изучение этих удивительных космических объектов, пусть даже и через их земные аналоги? Похоже, самое интересное только начинается.