Después de 50 años, el experimento finalmente muestra que la energía podría extraerse de un agujero negro

Utilizando un análogo de los componentes requerido en el estudio de un agujero negro físicos han demostrado que el proceso de Penrose es de hecho un mecanismo plausible para extraer algo de esa energía rotacional, si alguna vez pudiéramos desarrollar los medios. Eso no es probable, pero el trabajo muestra que las ideas teóricas peculiares se pueden usar brillantemente para explorar las propiedades físicas de algunos de los objetos más extremos del Universo.

Los Agujeros negros son salvajes y masivos. La etapa final del ciclo de vida de una estrella tan masiva que, una vez que se ha convertido en supernova, el núcleo ya no puede resistir su propia gravedad y colapsa totalmente en una singularidad. Un único punto unidimensional de densidad infinita.

En los agujeros negros, 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 lograr que la luz de escape. Y fuera del horizonte de sucesos, una región extendida de espacio-tiempo se tuerce a medida que es arrastrado junto con la rotación del agujero negro, un efecto llamado arrastre de cuadros.

Proceso de Penrose

En 1969, físico matemático Roger Penrose propuso que una región a las afueras del horizonte de sucesos llamada ergosfera, donde el arrastre de fotogramas es más fuerte, podría explotarse para extraer energía.

Según los cálculos de Penrose, si un objeto caído en la ergosfera se dividiera en dos, una parte se lanzaría más allá del horizonte de sucesos.

El otro, sin embargo, se aceleraría hacia afuera, con una patada adicional desde el agujero negro. Si todo saliera bien, emergería de la ergosfera con alrededor 21 por ciento más de energía de lo que entró.

En 1971, el físico soviético Yakov Borisovich Zeldovich propuso un experimento más práctico. Podrías reemplazar el agujero negro con un cilindro metálico giratorio y disparar rayos de luz retorcidos sobre él. Si el cilindro girara a la velocidad correcta, la luz se reflejaría de regreso con energía adicional extraída de la rotación del cilindro, debido a una peculiaridad en algo llamado efecto Doppler rotacional.

Este efecto se puede ver cuando una fuente giratoria emite ondas, que se acortan y alargan dependiendo de la dirección de la rotación. Las ondas del lado que gira hacia ti parecerán acortarse; Las ondas del lado que gira lejos parecen alargarse. Así es como los astrónomos pueden medir las rotaciones de estrellas y galaxias.

Solo había un problema con la propuesta de Zel’dovich. La velocidad del cilindro giratorio debería ser de al menos mil millones de rotaciones por segundo.

Así que ahí quedó el asunto, hasta que apareció un equipo de físicos de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow en Escocia. Idearon un experimento basado en el trabajo de Zel’dovich, pero en lugar de usar ondas de luz, usaron ondas de sonido.

El experimento. (Cromb et al., Nature Physics, 2020)
El experimento. (Cromb et al., Nature Physics, 2020)

El experimento consistió en un anillo de altavoces configurado para introducir un giro en las ondas de sonido, análogo a la luz retorcida en el experimento de Zel’dovich. El ‘agujero negro’ era un amortiguador de sonido giratorio hecho de un disco de espuma, cuya rotación se aceleraría a medida que las ondas de sonido lo golpearan. Una serie de micrófonos en el otro lado del disco detectaría las ondas de sonido después de que hayan pasado por el disco.

La pistola humeante que verificaría el proceso de Penrose fue un cambio en el tono y la amplitud de las ondas de sonido que pasaron por el disco.

“Las ondas de sonido retorcidas cambian su tono cuando se miden desde el punto de vista de la superficie giratoria. Si la superficie gira lo suficientemente rápido, la frecuencia del sonido puede hacer algo muy extraño: puede pasar de una frecuencia positiva a una negativa y, al hacerlo, robar algo de energía de la rotación de la superficie”.

Explicó el físico y astrónomo Marion Cromb de la Universidad de Glasgow, autor principal del artículo del equipo.

Los resultados fueron asombrosos. A medida que se aceleraba la rotación del disco, el tono del sonido que golpeaba los micrófonos bajó hasta que fue inaudible. Luego comenzó a elevarse nuevamente al tono original, pero un 30 por ciento más alto que el sonido proveniente de los altavoces. Las ondas sonoras recogían energía adicional del disco giratorio.

Un proceso teórico de 50 años para extraer energía de un agujero negro giratorio finalmente tiene verificación experimental 1
Universidad de Glasgow

“Lo que escuchamos durante nuestro experimento fue extraordinario. Lo que está sucediendo es que la frecuencia de las ondas de sonido se cambia a Doppler a cero a medida que aumenta la velocidad de giro. Cuando el sonido comienza de nuevo, es porque las ondas se han desplazado de una frecuencia positiva a una frecuencia negativa. Esas negativas -las ondas de frecuencia son capaces de tomar parte de la energía del disco de espuma giratoria, volviéndose más fuerte en el proceso, tal como lo propuso Zel’dovich en 1971. “

Dijo Cromb.

El equipo planea tratar de descubrir cómo extender esta investigación a las ondas electromagnéticas, la luz, pero esta investigación es un gran paso adelante para comprender los agujeros negros. Muestra cómo pueden probarse sus propiedades extremas en entornos de laboratorio si tiene las herramientas adecuadas, y no siempre tienen que ser elegantes, condensados ​​de Bose-Einstein de alta tecnología.

Investigaciones como esta también podrían conducir a nuevas tecnologías, si se puede idear una forma de aprovechar este fenómeno fascinante.

“Estamos encantados de haber podido verificar experimentalmente una física extremadamente extraña medio siglo después de que la teoría se propusiera por primera vez. Es extraño pensar que hemos podido confirmar una teoría de hace medio siglo con orígenes cósmicos aquí en nuestro laboratorio en el oeste de Escocia, pero creemos que abrirá muchas nuevas vías de exploración científica”.

Dijo el físico Daniel Faccio de la universidad de Glasgow.

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