Roger Penrose har beskrevet hvordan man i prinsippet kan sende noe mot et sort hull og få det igjen med mer energi. Nå har forskere testet ideen ved hjelp av lydbølger og en roterende skive.
Roger Penrose har beskrevet hvordan man i prinsippet kan sende noe mot et sort hull og få det igjen med mer energi. Nå har forskere testet ideen ved hjelp av lydbølger og en roterende skive.

Eksperiment støtter 50 år gammel teori:
Send noe mot et sort hull og få det igjen med mer energi

Fysikken blir merkelig rett utenfor et sort hull. I teorien kan man tappe et sort hull for energi, eller gjøre det om til den største bomben i universet.

Publisert

Se for deg at du kaster en fotball mot en vegg, men den smeller tilbake kraftigere enn ventet, så du mister pusten.

I 1969 teoretiserte fysikeren Roger Penrose at det er mulig å høste energi fra sorte hull.

Metoden har blitt kalt for Penrose-prosessen. Det går ut på å sende noe inn mot et sort hull, slik at det kommer tilbake med mer energi.

Sorte hull har de fleste hørt om. Innenfor det som kalles hendelseshorisonten er tyngdekraften så sterk at ingenting unnslipper, ikke engang lyset.

Men det er mer som foregår. Så godt som alle ekte svarte hull der ute spinner.

Utenfor et roterende sort hull dannes det et merkelig område av rommet som kalles ergosfæren. Navnet kommer fra et gresk ord som betyr arbeid, fordi det teoretisk er mulig å ekstrahere energi fra dette området.

Her dras selve romtiden rundt raskere enn lysets hastighet. Alt, til og med lyset må bevege seg i samme retning som rotasjonen. Det er litt som å være i en malstrøm, der sluket i midten er det sorte hullet.

Superkraftverk eller bombe

Man kan faktisk reise inn i ergosfæren til et svart hull og unnslippe.

Det vises i spillefilmen Interstellar, og der demonstreres Penrose-prosessen.

Mannskapet på romskipet finner ut at de ikke har nok drivstoff til å nå målet sitt. De reiser inn i ergosfæren til Gargantua, og gjør et bytte med det sorte hullet. De løsner en del av skipet.

Den ene delen av romskipet havner inn i det sorte hullet, mens den andre unnslipper, med mer energi.

På samme måte kan man sende asteroider eller annet inn mot det svarte hullet, og om det splittes kan den ene biten fare ut igjen med mer energi.

I teorien kan man også sende lys inn i egosfæren og få mer lys igjen. En superavansert sivilisasjon av romvesener kan bygge et speil rundt det hele.

Send så lysstråler inn i ergosfæren. Noe av lyset vil bli slukt mens resten vil fare rundt i malstrømmen og bli forsterket. Det som unnslipper treffer speilet og reflekteres tilbake igjen. Slik blir lyset eksponentielt sterkere.

Åpne en del av speilet og romvesnene har fått seg en så godt som utømmelig kilde til energi.

Eller, om de er av den onde sorten, så kan de la være å åpne speilet og lage en «black hole bomb».

Lyset vil bli kraftigere og kraftigere og ta mer og mer energi fra det sorte hullet. Til slutt knuser speilet, og en kjempeeksplosjon vil utslette alt i nærheten.

- Ville fungert, i prinsippet

Det høres jo helt rart ut. Stemmer det? Torsten Bringmann, professor i teoretisk fysikk ved Universitetet i Oslo, bekrefter at dette er mulig om teorien stemmer.

Torsten Bringmann er professor ved Universitetet i Oslo og jobber med astropartikkelfysikk og kosmologi.
Torsten Bringmann er professor ved Universitetet i Oslo og jobber med astropartikkelfysikk og kosmologi.

- Det er en ganske komplisert effekt. Det er ikke noe som er opplagt i det hele tatt, men det kommer ut av teorien, sier han.

- Det er ikke så lett å reise til et sort hull, så Penrose kom for noen tiår tilbake siden med et tankeeksperiment, sier Bringmann.

- Si at du sitter i et romskip, si at du har en last med deg, noe tungt, som du kaster fra deg. Om du kaster det i motsatt retning av rotasjonen, da vil det gå inn i det sorte hullet. I og med at du kaster det i motsatt retning så kansellerer det litt av rotasjonsenergien til det sorte hullet, og det gjør at du vinner energi.

- Kan det være nyttig på romreise?

- Ja, men man må kvitte seg med noe for å gjøre det.

- Hvorfor skal det også fungere med lys?

- På en måte er det det samme. I og med at du kan beskrive lys som bestående av partikler, blir det samme effekt. Det høres merkelig ut, men måten det beskrives på er ikke så forskjellig.

- Ville det fungert å bygge speil rundt et sort hull for å lage energi?

- Det er veldig teoretisk. Det å bygge rundt noe som er så stort som et sort hull, uten at man tenker på alle problemene som kan oppstå ved å bygge i nærheten av et sort hull, det er et tankeeksperiment. I prinsipp er det riktig, det ville fungert. Ettersom det rent formelt sett er utrolige mender med rotasjonsenergi i et sort hull. Det ville man kunne bruke eller omdanne til til lys eller energi.

Foreslo metode for å teste det

Nå har forskere ved University of Glasgow i Skottland testet om Penrose sin teori stemmer. Det har de gjort det her på jorden, med nokså enkle grep.

I 1971 foreslo den russiske fysikeren Yakov Zel’dovich hvordan man kan teste ideen: ved å bruke lys og en roterende sylinder.

Men det var et problem, sylinderen ville ha måttet rotere med samme frekvens som lysbølgene, milliarder av ganger raskere enn man får noe til å rotere på jorden i dag.

Forskere ved University of Glasgow kom derfor opp med en mer gjennomførbar idé. De brukte lydbølger isteden, da trenger ikke rotasjonen være så raskt.

Instrumentet de brukte med høytalere i ring.
Instrumentet de brukte med høytalere i ring.

Så effekten med lyd

Forskerne satte opp små høytalere i en ring. De sendte ut lyd med samme frekvens som startet på litt forskjellig tid. Slik ble lyden sendt som en spiral.

Det svarte hullet deres var en roterende skive med lydabsorberende skum.

Etterhvert som skiven roterte raskere, ble lyden lavere og lavere, til den forsvant. Men så skjedde det noe rart.

Lyden ble høyere.

Forskerne forklarer hva som skjedde i en artikkel i The Conversation. Lyden ble doplerskiftet ned til null. Så ble bølgene negative, de svingte motsatt vei. De negative bølgene høres likevel vanlige ut .

Forskerne skriver at deler av de positive bølgene ble absorbert, men at noe av tapet ble transformert til de negative bølgene. De tok energi fra rotasjonen.

Nærmere bestemt ble lyden 30 prosent kraftigere, det stemmer med det som er forventet ved Penrose-prosessen.

- Vi er begeistret over å ha klart å verifisert en type ekstremt merkelig fysikk, et halvt århundre etter teorien først ble foreslått, sier professor Daniele Faccio ved University of Glasgow’s School of Physics and Astronomy i en pressemelding.

Dette har kanskje ingen åpenbar nytte nå, men forskerne er ivrige på å studere effekten videre.

- Vi tror det vil åpne for mange nye veier for vitenskapelig utforskning, sier Faccio.

Du kan høre hvordan lyden ble forsterket i videoen under.

Fanger rotasjonsenergi

Torsten Bringmann forklarer det som skjer.

- Tenk på å kaste en ball mot en vegg, da kommer den tilbake med samme fart. Men hvis veggen er i bevegelse mot deg, så vil ballen komme mot deg med større fart, og veggens fart sakne ned.

- Nå erstatter vi fart med drivmoment og rotasjonsenergi. Når man kaster inn noe, og vrir det mot rotasjonsretningen til det sorte hullet når man kaster, så kan det komme ut med større fart og banespinn — men det sorte hullet må da spinne litt mindre fort etterpå for å bevare både total energi og banespinn.

- Hvorfor måtte lydbølgene i eksperimentet sendes inn som en spiral?

- For å se effekten, må man kaste noe inn, for eksempel lys med banespinn, ikke bare på en rak linje. Du kan si at det er en måte å ekstrahere rotasjonsenergien til det sorte hullet. Men for kunne gjøre det, så må man i utgangspunktet ha «noe som snakker til spinn», altså noe som selv roterer.

Torsten Bringmann sier at eksperimentet kan ses i en større sammenheng.

- Det inngår i et større prosjekt som kalles analog gravitasjon. Tanken er at man har Einsteins relativitetsteori som beskriver gravitasjon. Men så har det vist seg, at om man bare ser rent matematisk på uttrykkene, så er det de samme ligningene som beskriver andre fysikalske system, for eksempel hvordan væske oppfører seg.

- Da er det litt et filosofisk spørsmål, hva er det egentlig man gjør? Er det noe man lærer bare om det andre systemet, eller er det faktisk noe man lærer om gravitasjon?

- Hvis man tror at teorien som beskriver gravitasjon er helt rett og det ikke finne noen modifikasjoner, da kan vi si at ja, da er det akkurat det samme som å påvise effekten rundt et sort hull. Men rent empirisk sett så er det to forskjellige ting.

Referanse/ kilder:

Marion Cromb, Graham M. Gibson, Ermes Toninelli, Miles J. Padgett, Ewan M. Wright & Daniele Faccio: «Amplification of waves from a rotating body», Nature Physics, 22. juni 2020.

Video: «How Black Holes Spin Space Time», PBS Spacetime.

Video: «The Black Hole Bomb and Black Hole Civilizations», Kurzgesagt – In a Nutshell.