Eksperiment støtter 50 år gammel teori: Send noget mod et sort hul, og det kommer tilbage med mere energi

Forestil dig, at du kaster en fodbold mod en mur, og at den smælder tilbage langt hårdere, end du forventede, så du taber pusten.

I 1969 foreslog den britiske matematiker og teoretiske fysiker Roger Penrose, at det er muligt at indsamle energi fra sorte huller. Teorien bliver kaldt Penrose-processen, og den går ud på at sende noget ind mod et sort hul, så det kommer tilbage med mere energi.

De fleste har nok hørt om sorte huller. Og måske om den såkaldte begivenhedshorisont, som i astronomien er betegnelsen for randen af et område i rummet, hvorfra intet kan undslippe - ikke engang lyset - fordi tyngdekraften er så stærk.

Men der sker mere. Stort set alle ægte sorte huller roterer om sig selv.

Udenfor et roterende sort hul bliver et mærkeligt område af rummet, kaldet ergosfæren, dannet. Navnet kommer fra det græske ord for 'arbejde', fordi det teoretisk er muligt at udtrække energi fra dette område. Her bliver selve rumtiden trukket rundt hurtigere end lysets hastighed.

Alt, selv lyset, skal bevæge sig i samme retning som rotationen. Det er lidt som at befinde sig i en malstrøm, hvor hvirvlen i midten er det sorte hul.

Teori illustreret i film

Man kan faktisk bevæge sig ind i et sort huls ergosfære og undslippe.

Det bliver illustreret i filmen 'Interstellar', hvor Penrose-processen bliver demonstreret.

Besætningen ombord på rumskibet opdager, at de ikke har brændstof nok til at nå deres destination. De bevæger sig ind i Gargantuas (det sorte huls) ergosfære og gør en byttehandel med det sorte hul.

De løsner en del af rumskibet, som havner i det sorte hul, mens resten af fartøjet undslipper, men med mere energi.

På samme måde kan man sende asteroider eller andet ind mod det sorte hul, og hvis det, der sendes ind, bliver splittet ad, kan det ene stykke bevæge sig ud igen med mere energi.

Superkraftværk eller bombe

I teorien kan man også sende lys ind i egosfæren og få mere lys ud igen. En superavanceret civilisation af rumvæsener kan bygge et spejl omkring det hele. Derefter kan lysstråler blive sendt ind i ergosfæren.

En del af lyset bliver slukket, mens resten bevæger sig rundt om malstrømmen og bliver forstærket. Det, som undslipper, rammer spejlet og bliver reflekteret tilbage igen. Det gør lyset eksponentielt stærkere.

Hvis de åbner en del af spejlet, vil rumvæsenerne skabe en næsten uudtømmelig energikilde. Eller hvis de er onde, kan de lade være med at åbne spejlet og skabe en 'black hole bomb'.

I så fald bliver lyset stærkere og stærkere og tager mere og mere energi fra det sorte hul. Til sidst bliver spejlet knust, og en enorm eksplosion udsletter alt i nærheden.

»Kan fungere - i princippet«

Det lyder jo temmelig mærkværdigt. Passer det nu også?

Torsten Bringmann, professor i teoretisk fysik ved Universitetet i Oslo, bekræfter, at det er muligt, at teorien stemmer.

»Det er en ganske kompliceret effekt. Det er slet ikke noget, der er indlysende, men det kommer ud af teorien,« siger han.

»Det er ikke så let at rejse til et sort hul, så Penrose kom tilbage for et par årtier siden med et tankeeksperiment,« siger Torsten Bringmann.

»Forestil dig, at du sidder i et rumskib, og at du har en last med dig - noget tungt - som du kaster fra dig. Hvis du kaster det i den modsatte retning af rotationen, vil det bevæge sig ind i det sorte hul. Ved at smide det i den modsatte retning annullerer det noget af det sorte huls rotationsenergi, og det gør, at du vinder energi.«

- Kan det være nyttigt på en rumrejse?

»Ja, men man skal skaffe sig af med noget for at gøre det.«

- Hvorfor fungerer det også med lys?

»Det er på en måde det samme. I og med at du kan beskrive lys som bestående af partikler, bliver det den samme effekt. Det lyder måske mærkeligt, men måden, det beskrives på, er ikke så forskellig.«

- Ville det fungere, hvis man byggede et spejl rundt om et sort hul for at få energi?

»Det er meget teoretisk. Det at bygge rundt om noget så stort som et sort hul, uden at tage højde for alle de problemer, som kan opstå ved at bygge i nærheden af et sort hul, det er et tankeeksperiment.«

»I princippet er det korrekt, at det vil fungere, eftersom der rent formelt set er ufattelige mængder rotationsenergi i et sort hul. Det vil man kunne bruge eller omdanne til lys eller energi.«

Foreslog metode for at teste det

Nu har forskere ved University of Glasgow i Skotland testet, om Roger Penroses teori holder stik.

Det har de dog gjort her nede på Jorden på en ret så enkel maner.

I 1971 foreslog den russiske fysiker Yakov Zel'dovich, hvordan man kan teste teorien: ved at bruge lys og en roterende cylinder.

Men der var et problem: Cylinderen skulle rotere med samme frekvens som lysbølgerne, flere milliarder gange hurtigere end man kan få noget til at rotere på Jorden i dag.

Forskerne ved University of Glasgow fandt derfor en mere gennemførlig metode: De brugte lydbølger i stedet, for så behøver rotationen ikke at være så hurtig.

Så effekten med lyd

Forskerne stillede små højttalere i en cirkel. De udsendte lyd med samme frekvens, som startede på lidt forskellige tidspunkter. På denne måde blev lyden sendt ud som en spiral.

Deres udgave af et sort hul var en roterende skive med lydabsorberende skum.

I takt med, at skiven roterede hurtigere og hurtigere, blev lyden lavere og lavere for til sidst at forsvinde.

Og så skete der noget mærkværdigt: Lyden blev højere.

Forskerne forklarer, hvad der skete i en artikel i The Conversation.

Lydens såkaldte dopplerskift røg ned på nul. Så blev bølgerne negative; de svingede den modsatte vej. De negative bølger lød alligevel almindelige.

Forskerne skriver, at dele af de positive bølger blev absorberet, men at en del af tabet blev tranformeret til de negative bølger. De tog energi fra rotationen.

Nærmere bestemt blev lyden 30 procent kraftigere, og det stemmer med, hvad man kan forvente ved Penrose-processen.

»Vi er himmelhenrykte over entydigt at kunne verificere en slags ekstremt mærkværdig slags fysik, et halvt århundrede efter teorien først blev fremsat,« siger professor Daniele Faccio ved University of Glasgow’s School of Physics and Astronomy i en pressemeddelse.

Det gør måske ikke så meget nytte lige på nuværende tidspunkt, men forskerne er opsatte på at studere effekten yderligere.

»Vi tror, at det vil åbne op for mange nye muligheder for videnskabelig udforskning,« siger Daniele Faccio i pressemeddelelsen.

Fanger rotationsenergien

Torsten Bringmann forklarer, hvad det er, der sker.

»Forestil dig, at du kaster en bold op mod en mur. Bolden kommer tilbage med den samme fart. Men hvis muren er i bevægelse mod dig, vil bolden komme mod dig med større fart, og murens fart mindskes.«

»Nu erstatter vi fat med drivmoment og rotationsenergi. Når man kaster noget ind og vrider det i modsat retning af det sorte huls rotationsretning, så kommer det ud med større fart og banespin - men det sorte hul er så efterfølgende nødt til at spinne lidt langsommere for at bevare både total energi og banespin.«

- Hvorfor skal lydbølgerne i eksperimentet sendes ind som en spiral?

»For at se effekten skal man kaste noget ind - for eksempel lys med banespin - ikke bare i en lige linje. Man kan sige, at det er en måde at ekstrahere det sorte huls rotationsenergi.«

»Men for at kunne gøre det, skal man som udgangspunkt have noget, som kan forholde sig til spin - altså noget, som selv roterer.«

Eksperimentet skal ses i større sammenhæng

Torsten Bringmann siger, at eksperimentet skal ses i en større sammenhæng.

»Det indgår i et større projekt, som kaldes ‘analog gravitation’. Tanken er, at man har Einsteins relativitetsteori som beskriver gravitation. Men så har det vist sig, at om man bare ser rent matematisk på udtrykkene, så er det de samme ligninger som beskriver andre fysiske systemer, for eksempel væskers adfærd.«

»Det er et lidt filosofisk spørsmål, hvad er det egentlig, man gør? Er det noget, man kun lærer om det andet system, eller er det faktisk noget, man lærer om gravitation?«

»Hvis man tror, at teorien, som beskriver gravitation, er helt rigtig, og at der ikke findes nogen modifikationer, så kan vi sige, at ‘ja’, så er det akkurat det samme som at påvise effekten omkring et sort hul. Men rent empirisk set, så er det to forskellige ting.«

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her.