Ученые описали новый способ извлечения энергии из черных дыр. Ее могут уносить частицы плазмы, ускоренные в результате магнитного пересоединения. Это уже не первый механизм извлечения энергии черных дыр — возможность этого процесса доказал Роджер Пенроуз в 1969 году, а способы его реализации позднее предлагали Стивен Хокинг, Роджер Блэнфорд и Роман Знаек. Статья опубликована в журнале Physical Review D.

Теория относительности предсказывает, что вращающиеся черные дыры можно использовать в качестве источников энергии. В 1969 году Роджер Пенроуз описал процесс, позволяющий это сделать. Вокруг вращающихся черных дыр существует эргосфера — область, предшествующая горизонту событий. Все тела в эргосфере вращаются вместе с черной дырой.

Согласно механизму Пенроуза, если частица делится в эргосфере на два осколка, один из них упадет за горизонт событий, а второй, наоборот, будет выброшен за предел статичности в область, где тела уже не вращаются вокруг черной дыры. При этом энергия выброшенного осколка будет больше, чем энергия изначальной частицы. Это происходит потому, что осколок, упавший в черную дыру, имеет отрицательную энергию. За счет его поглощения скорость вращения дыры снижается, а часть вращательной энергии передается улетевшей частице.

Процесс Пенроуза указывает на возможность получения энергии из черной дыры, но его нельзя назвать хорошим практическим методом. Для его реализации необходимо, чтобы две новорожденные частицы обладали скоростью, превышающей половину скорости света. Ожидаемая частота таких событий настолько редка, что не позволит получить значительное количество энергии.

Поэтому ученые активно ищут другие механизмы. Например, Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут высвобождать энергию за счет теплового излучения. Еще одним способом извлечения энергии является процесс Блэнфорда-Знаека, основанный на электромагнитном взаимодействии.

Лука Комиссо (Luca Comisso) из Колумбийского Университета и Фелипе Асенхо (Felipe A. Asenjo) из Университета Адольфо Ибаньеса описали в своей статье еще одну из альтернатив процессу Пенроуза.

Черные дыры окружены горячей плазмой, частицы которой обладают магнитным полем. Основа нового механизма получения энергии из вращающихся черных дыр — пересоединение силовых линий магнитного поля внутри эргосферы. Черная дыра при этом должна находиться во внешнем магнитном поле, иметь большой спин (a ~ 1) и окружающую ее плазму с сильной намагниченностью. Нужными свойствами обладают, например, черные дыры, образовавшиеся в результате длинных и коротких гамма-всплесков и сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик.

Магнитное пересоединение ускоряет часть плазмы в направлении вращения дыры. Другая часть ускоряется в обратном направлении и падает за горизонт событий. Выделение энергии, как и в механизме Пенроуза, происходит, если поглощаемая плазма имеет отрицательную энергию, а ускоренная — «ускользает» из эргосферы. Отличие состоит в том, что для образования частиц с отрицательной энергией требуется диссипация энергии магнитного поля. В процессе, описанном Пенроузом, роль играет только инерция частиц.

Как говорят ученые, КПД описанного процесса — 150 процентов. Это значит, что процесс позволяет получить в полтора раза больше энергии, чем нужно затратить на его реализацию. Достижение КПД больше 100 процентов возможно, потому что высвобожденные из эргосферы частицы плазмы уносят энергию черной дыры. Открытие нового механизма извлечения энергии из черных дыр позволит астрономам лучше оценить их вращательный момент и понять, как они излучают энергию. До практического применения открытия еще далеко: необходимо выяснить, как долететь до черной дыры и разместить что-то в ее эргосфере, не угодив за горизонт событий.

Мы уже писали о влиянии магнитного пересоединения на плазму, этот процесс — причина вспышек на Солнце. Лука Комиссо и Фелипе Асенхо считают, что магнитное пересоединение может быть также причиной вспышек рентгеновского излучения от черных дыр. Их задетектировали в 2019 году. 

Екатерина Назарова