宇宙天文：我們能利用黑洞的能量嗎？

接近視界的等離子體即將被旋轉(zhuǎn)的黑洞吞噬。圖源：Classical And Quantum Gravity，2015
愛因斯坦的廣義相對論（就是那個(gè)統(tǒng)一了空間、時(shí)間與引力的理論）預(yù)言：旋轉(zhuǎn)的黑洞擁有龐大的能量可供利用。
在過去的50年里，科學(xué)家們一直試圖找到釋放這種能量的方法。諾貝爾獎(jiǎng)得主，物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）就提出過粒子崩解（particle disintegration）這一從黑洞中汲取能量的理論；斯蒂芬·霍金也曾提出，黑洞可以通過量子力學(xué)機(jī)制釋放能量；羅杰·布蘭德福德（Roger Blandford）和羅曼·茲納杰克（Roman Znajek）指出，電磁轉(zhuǎn)矩（electromagnetic torque）或能成為能量提取的主要來源。
現(xiàn)在，在發(fā)表在《物理評論D》雜志上的一項(xiàng)研究中，哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家Luca Comisso和伊巴內(nèi)茲大學(xué)的Felipe Asenjo發(fā)現(xiàn)了一種從黑洞中提取能量的新方法，這種方法需要打破并重新連接視界（event horizon一個(gè)連光都逃脫不了黑洞引力的臨界點(diǎn)）附近的磁力線。
“黑洞周圍通常盛滿了帶有磁場的等離子體粒子（plasma particles）‘熱湯’” ，哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家、本項(xiàng)研究的第一作者Luca Comisso說。


圖片來源：Pixabay
“我們的理論表明，當(dāng)磁力線以某種方式斷開和重新連接時(shí)，它們可以加速等離子體粒子，使其產(chǎn)生負(fù)能量，從而提供大量黑洞能量?！?br> Comisso提到，這一發(fā)現(xiàn)可以讓天文學(xué)家更好地估量黑洞的自旋，驅(qū)動(dòng)黑洞的能量釋放，甚至可能為先進(jìn)文明提供一種新的能量來源。
Comisso和Asenjo的理論有一個(gè)前提，那就是重新連接磁場會導(dǎo)致等離子體粒子朝不同方向加速。一股等離子體流（plasma flow）逆著黑洞自旋方向前進(jìn)，另一股則順著黑洞自旋方向加速，并最終脫離黑洞的魔爪，當(dāng)有負(fù)能量的等離子體被黑洞吞噬時(shí)，能量會從黑洞中釋放出來。
“這就像一個(gè)人可以通過吃含有負(fù)熱量的糖果來減肥，” Comisso解釋說，“黑洞吃負(fù)能量粒子會導(dǎo)致能量損失的說法聽起來很奇怪，但它的確可能發(fā)生在一個(gè)稱為能層（ergosphere）的區(qū)域，在那里時(shí)空連續(xù)體（spacetime continuum）旋轉(zhuǎn)得如此之快，以至于每個(gè)物體的旋轉(zhuǎn)方向都與黑洞相同?！?br>

圖片來源：Pixabay
在能層內(nèi)部，磁場重聯(lián)（magnetic reconnection）是如此的極端以至于等離子體粒子被加速到接近光速。
Asenjo是阿道夫伊巴涅斯大學(xué)的物理學(xué)教授，也是這項(xiàng)研究的合著者，他解釋說，被捕獲的和在逃逸的等離子體流之間的相對速度差得很多，使得過程中能從黑洞提取大量能量。
“我們計(jì)算出，等離子體充能的能效可以達(dá)到150%，遠(yuǎn)高于地球上任何運(yùn)行的發(fā)電廠?！?Asenjo提到，“達(dá)到100%以上的效率是可能的，因?yàn)楹诙磿孤┠芰?，這些能量會免費(fèi)贈(zèng)送給從黑洞逃逸出來的等離子體?！?br> Comisso和Asenjo設(shè)想的過程可能已經(jīng)在大量黑洞中上演。這可能是驅(qū)動(dòng)黑洞耀斑（black hole flares）爆發(fā)的原因——從地球上可以探測到這些強(qiáng)大的輻射爆發(fā)。
“要是我們對黑洞附近如何發(fā)生磁場重聯(lián)能有更多了解，將對指導(dǎo)未來望遠(yuǎn)鏡對黑洞的觀測起到重要作用，例如使用事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）進(jìn)行觀測?！?Asenjo說。
雖然這聽起來像科幻小說中的橋段，但從黑洞中開采能源可能是解決我們未來能源需求的答案。
Comisso說：“幾千年或幾百萬年后，人類也許能夠在黑洞周圍生存，而不需要利用恒星的能量。這本質(zhì)上是一個(gè)技術(shù)問題。如果我們了解物理，就沒有什么能阻止我們?！?br> 這項(xiàng)名為“磁場重聯(lián)作為從旋轉(zhuǎn)黑洞中提取能量的機(jī)制”的研究由國家科學(xué)基金會（NSF）宇宙之窗計(jì)劃、美國宇航局和智利國家科技發(fā)展基金資助。
美國國家科學(xué)基金會的項(xiàng)目主管Vyacheslav（Slava） Lukin說，國家科學(xué)基金會的目標(biāo)是促進(jìn)基于前沿觀測的新理論努力，將理論物理學(xué)和觀測天文學(xué)創(chuàng)新性地結(jié)合在一起。
Lukin說：“我們期待著將看似深?yuàn)W的黑洞天體物理學(xué)轉(zhuǎn)化到可操作領(lǐng)域。”
作者：Carla Cantor，哥倫比亞大學(xué)
翻譯：焦傲
審校：張和持
引進(jìn)來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
引進(jìn)鏈接：https://phys.org/news/2021-01-harness-energy-black-holes.html


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