Вчені у лабораторії «підірвали» чорну дірку

Чорні дірки — мабуть, найзагадковіші та найлякаючіші об’єкти у Всесвіті. Їхня гравітація настільки сильна, що навіть світло не може вирватися назовні. Здається, що вони можуть лише поглинати. Але що, якщо я скажу вам, що чорна дірка може стати джерелом колосальної енергії, яка здатна влаштувати вибух потужністю із надновою? Звучить як наукова фантастика? Можливо. Але саме цю ідею, відому як «бомба чорної діри», нещодавно вдалося частково відтворити… прямо тут, на Землі, у лабораторії. Спокійно, ніякої реальної чорної дірки поблизу немає! Йдеться про дотепну фізичну модель, яка, проте, відкриває разючі перспективи.

Звідки дрова? Енергія з обертання

Все почалося ще півстоліття тому. У 1969 році знаменитий фізик Роджер Пенроуз (так-так, той самий, нобелівський лауреат) замислився: а чи не можна якось обікрасти чорну дірку? Він зрозумів, що якщо чорна діра обертається (а більшість із них обертаються, і дуже швидко!), то вона буквально тягне за собою сам простір-час навколо. Уявіть собі закручений вир — він захоплює все, що потрапляє поруч. Пенроуз показав, що частка, що пролітає дуже близько до такої «м’ясорубки» простору-часу, що обертається, може «вкрасти» частину енергії її обертання і полетіти геть, ставши енергійнішою, ніж була до цього. Енергія береться не з самої «дірки», а саме з її обертання.

Ідея Пенроуза була гарною, але торкалася лише частинок. А що щодо хвиль, наприклад, світла? Тут на сцену вийшов інший видатний фізик, Яків Зельдович. У 1971 році він припустив, що схожий ефект, названий надвипромінюванням (superradiance), має спостерігатися і з хвилями. Тільки замість чорної діри він розглянув більш «простий» об’єкт — металевий циліндр, що швидко обертається. Зельдович розрахував: якщо на такий циліндр спрямувати, скажімо, світлову хвилю, то відбита хвиля може виявитися… сильнішою за падаючу! Циліндр, як і чорна діра Пенроуза, віддає частину своєї енергії обертання хвилі.

Правда, була одна проблема: щоб ефект спрацював зі світлом, циліндр повинен обертатися з немислимою швидкістю, порівнянною з частотою самої світлової хвилі. «Неможливо змусити обертатися будь-який матеріальний об’єкт із такими швидкостями», — розводить руками Хендрік Ульбріхт із Саутгемптонського університету, один з авторів недавнього експерименту.

Але Зельдович пішов далі. А що якщо оточити цей циліндр (або чорну дірку), що обертається, ідеальним дзеркалом? Тоді посилена хвиля позначиться назад, знову посилиться від обертання, знову позначиться. Виникне лавиноподібний процес накопичення енергії. Зрештою, ця енергія або знайде вихід, або призведе до найпотужнішого викиду — тієї самої «бомби чорної дірки». І найдивовижніше: для запуску цього процесу не потрібне навіть початкове джерело світла! Чорна діра або циліндр могли б посилювати крихітні, завжди існуючі випадкові коливання електромагнітного поля у вакуумі — так звані квантові флуктуації. По суті, генерувати енергію із «шуму»!

Як помістити космос на столі?

Десятиліттями ідея Зельдовича залишалася суто теоретичною. Як перевірити її, якщо не можна так розкрутити циліндр? І ось команда під керівництвом Хендріка Ульбріхта знайшла геніально просте рішення. Замість того, щоб намагатися досягти неможливих швидкостей обертання для світлових хвиль, вони вирішили використовувати хвилі зі значно нижчою частотою — електромагнітні хвилі, що створюються магнітним полем.

Їхня установка виглядає так: є алюмінієвий циліндр, що обертається звичайним електромотором. Навколо нього — система із трьох шарів металевих котушок. Ці котушки виконують дві ролі: по-перше, вони створюють магнітне поле, що обертається (це аналог наших «хвиль»), а по-друге, вони ж служать «дзеркалом», що відображає це поле назад до циліндра. Швидкість обертання циліндра та магнітного поля підібрані так, щоб виконувалася умова Зельдовича для надвипромінювання.

І що вони побачили? Направляючи на циліндр, що обертається, слабке магнітне поле, вони дійсно реєстрували вихідне поле, яке було сильніше початкового! Ефект надвипромінювання був підтверджений експериментально. «Ви направляєте низькочастотну електромагнітну хвилю на циліндр, що обертається — хто б міг подумати, що назад ви отримаєте більше, ніж послали? Це абсолютно дивно», — коментує Вітор Кардозу з Лісабонського університету, який не брав участі в роботі.

Але справжній тріумф чекав попереду. Вчені спробували провести експеримент взагалі без початкового магнітного поля від котушок. І що ви вважаєте? Установка сама почала генерувати вимірний сигнал! Циліндр, що обертається, почав посилювати цей фоновий «шум» — випадкові електромагнітні флуктуації — і котушки-«дзеркала» запустили лавиноподібний процес накопичення енергії, передбачений Зельдовичем. «Ми, по суті, генеруємо сигнал із шуму, і це те саме, що відбувається в гіпотезі про бомбу чорної діри», — пояснює Ульбріхт. Цікаво, що перший прототип Ульбріхт зібрав у себе вдома під час локдауну 2020 року — ось такий несподіваний «порятунок від нудьги»!

Навіщо нам «іграшкова» чорна діра?

Добре, фізики створили дотепну модель, підтвердили теорію піввікової давності. Але яка користь, якщо це не справжня чорна діра?

Величезна! По-перше, такі лабораторні аналоги дозволяють детально вивчати фізичні процеси, які відбуваються в екстремальних умовах космосу, куди ми поки що не можемо заглянути безпосередньо. «Наявність точних лабораторних вимірювань цього процесу справді дозволяє впевнено сказати: «Так, це має відбуватися і у фізиці чорних дірок»», — наголошує Кардозу. Ми можемо краще зрозуміти, як саме чорні діри, що обертаються, взаємодіють зі своїм оточенням, як вони втрачають енергію.

А по-друге — і це, мабуть, найцікавіше — цей експеримент відкриває дорогу до нового способу пошуку… темної матерії та інших гіпотетичних частинок! Ідея ось у чому: якщо у Всесвіті існують якісь невідомі нам легкі частинки чи поля (а темна матерія — головний кандидат), вони теж могли б взаємодіяти з чорними дірками, що обертаються, через механізм надвипромінювання.

Уявіть: навколо чорної діри утворюється величезна хмара таких частинок, які крадуть енергію її обертання. Що ми маємо побачити? По-перше, сама чорна діра має поступово уповільнювати своє обертання. По-друге, ця хмара частинок може випромінювати специфічні гравітаційні хвилі, які ми могли б зареєструвати на Землі.

«Таким чином, надвипромінювання перетворює чорні дірки на детектори частинок», — говорить Кардозу. — І для певного типу темної матерії вони можуть виявитися набагато кращими детекторами, ніж Великий адронний колайдер у ЦЕРНі. Подумати тільки: найзагадковіші об’єкти Всесвіту можуть стати нашими інструментами для розкриття іншої великої таємниці – природи темної матерії.

Тож крихітна «чорна діра» на лабораторному столі — це не просто кумедна іграшка. Це ключ до розуміння фундаментальних законів природи, що працюють як у надрах атома, так і в прірвах космосу. І хто знає, які ще сюрпризи зробить нам вивчення цих дивовижних космічних об’єктів, хай навіть і через їхні земні аналоги? Видно, найцікавіше лише починається.