La exploración de los agujeros negros

Hace un año, la congresista Alexandria Ocasio-Cortez de Nueva York y el senador Edward J. Markey de Massachusetts, ambos demócratas, propusieron el New Deal Green, una resolución del Congreso no vinculante que establece un gran plan. para hacer frente al cambio climático, satisfaciendo el 100% de la demanda energética de los Estados Unidos a través de fuentes de energía limpias, renovables y de cero emisiones.

Mientras continúa el futuro de la propuesta de energías limpias ser – estar Inseguros, la mayoría de los estadounidenses han leído en la misma página sobre qué hacer: reducir drásticamente la dependencia de la nación de los combustibles fósiles durante las próximas dos décadas es fundamental para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y combatir el cambio climático, un ya que seis de cada diez estadounidenses adultos dicen que estarían a favor de políticas con este objetivo energético. Afortunadamente, los científicos han estado investigando soluciones de energía alternativa, como la energía eólica y solar, durante décadas, incluidas fuentes menos conocidas que pueden parecer un poco inusuales o incluso totalmente ridículas y poco realistas.

Si puedes asignar explotando la energía de los agujeros negros en la última categoría.

Hace cincuenta años, el físico matemático británico Roger Penrose propuso una idea aparentemente absurda de cómo una sociedad alienígena (o futuros humanos) podría recolectar energía de un agujero negro en rotación, dejando caer un objeto fuera de su esfera de influencia, también conocido como el ergosfera, donde podría obtener energía negativa. Desde entonces, nadie ha podido verificar la viabilidad de esta aparentemente extraña idea hasta ahora.

Medio siglo después, los investigadores finalmente demostraron que a Penrose realmente le gustaba algo grande.

El proceso de Penrose

Los agujeros negros han capturado la imaginación de los astrofísicos desde que se descubrió el primero en 1971, y por una buena razón. Después de todo, son algunos de los objetos más extraños y fascinantes del espacio exterior.

Los agujeros negros representan la etapa final en el ciclo de vida de las estrellas tan masivas que, una vez que se convierten en supernovas, el núcleo ya no puede soportar su propia gravedad y colapsa por completo en una singularidad: un único punto unidimensional de densidad infinita. Esta singularidad se encuentra dentro de una región llamada horizonte de sucesos, el punto en el que la gravedad alrededor del agujero negro es tan fuerte que ni siquiera la velocidad de la luz es suficiente para alcanzar la velocidad de escape.

En 1969, Roger Penrose propuso que si un objeto se divide en dos y una parte cae al agujero negro, la otra parte se puede recuperar con más energía que el objeto original porque perdió energía negativa, básicamente diciendo que uno menos que uno lo hace. más.

Dos años después, el físico ruso Yakov Zel’dovich adaptó esta idea y la tradujo a otros sistemas rotativos que pudimos probar en la Tierra. Zel’dovich predijo que las ondas de momento angular, también conocidas como “ondas retorcidas”, reflejadas por un cilindro metálico giratorio se amplificarán. El cilindro ve que estas ondas retorcidas giran en Doppler, es decir, que su frecuencia cambia en función de la velocidad de rotación. Esto es similar al desplazamiento Doppler lineal, en el que el tono de la sirena de la policía cambia a medida que pasa.

Si el cilindro de Zel’dovich gira lo suficientemente rápido, sucederá algo muy extraño. La frecuencia del desplazamiento Doppler se vuelve negativa. Estas ondas de frecuencia negativa nos parecen ondas de frecuencia positivas normales. Pero, sorprendentemente, cambia la forma en que las ondas interactúan con el cilindro. El metal tiende a absorber ondas. Pero cuando la frecuencia Doppler se vuelve negativa, la absorción se convierte en amplificación y la onda reflejada tiene más energía que cuando entró. Como en el caso de los extraterrestres de Penrose y el agujero negro giratorio, las ondas retorcidas eliminaron la energía del cilindro absorbente giratorio.

Solo había un problema con la propuesta original de Zel’dovich: la velocidad del cilindro giratorio debe ser de al menos mil millones de revoluciones por segundo, además de lo que podemos lograr mecánicamente sin que las partes centrífugas lo destruyan todo.

Por tanto, no había forma de validar físicamente la teoría, hasta que llegó un equipo de físicos de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow, Escocia. Planearon un experimento basado en el trabajo de Zel’dovich, pero usaron ondas de sonido en lugar de ondas de luz. Las ondas de sonido son un millón de veces más lentas que las ondas de luz, lo que significa que el disco giratorio no tiene que girar tan rápido.

Su experimento consistió en un anillo de altavoces configurados para introducir un giro en ondas sonoras, análogo al giro de la luz en el experimento de Zel’dovich. Un absorbente de sonido giratorio hecho de un disco de espuma era análogo al agujero negro giratorio, cuya rotación se aceleraría cuando las ondas de sonido chocaran. Utilizaron un anillo de altavoces para crear una onda de sonido retorcida en el otro lado del disco y lo dirigieron a un absorbente de sonido giratorio y colocaron micrófonos detrás de la espuma giratoria para medir las ondas de desplazamiento Doppler que pasan a través del disco. mientras gira. Podían reproducir el sonido grabado por los micrófonos a medida que aumentaba la velocidad de rotación.

Los resultados fueron sorprendentes. A medida que aumentaba la rotación del disco, el tono del sonido que llegaba a los micrófonos se redujo hasta ser inaudible y luego comenzó a volver al tono original, pero un 30% más alto que el sonido que provenía de los altavoces. En esencia, las ondas sonoras capturaban energía extra del disco giratorio.

Lo que realmente escuchas es la frecuencia de la onda giratoria con el Doppler cambiando a cero, donde se vuelve demasiado bajo para escuchar, y luego se vuelve más fuerte a medida que aumenta la frecuencia negativa.

Si se traza la amplitud de la señal de sonido de onda retorcida, se observa que el sonido se vuelve claramente más fuerte después de que la frecuencia Doppler ha pasado de positivo a negativo. En otras palabras, la amplitud de las ondas de frecuencia negativa es mucho mayor cuando el absorbedor está girando.

El área sombreada en rojo es la región donde las ondas extraen energía de la energía de rotación del absorbedor. Este increíble efecto de amplificación está en el corazón de la propuesta de Penrose de extraer energía de los agujeros negros y podría guiar nuevos experimentos para la amplificación de ondas electromagnéticas, y quizás incluso fluctuaciones cuánticas.

Obviamente, este experimento no comprueba explícitamente si la idea de Penrose de extracción de energía realmente funcionará para un agujero negro. En cambio, demuestra algo que parece contradictorio: que cambiar las frecuencias de onda de positivo a negativo en realidad da como resultado que las ondas ganen, en lugar de perder, energía.

Todavía estamos muy lejos de extraer energía de los agujeros negros en rotación. Aún así, el último experimento de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow proporciona una buena prueba de concepto que puede abrir nuevas y emocionantes vías de exploración científica.