بعد 50 عامًا أظهرت التجربة أخيرًا أنه يمكن استخراج الطاقة من الثقب الأسود

استخراج الطاقة من الثقب الأسود

بقلم : انجي سيد عبد العواض

مراجعة وتدقيق : مجدي عياد 

طريقة  (عمرها 50 عامًا ) لاستخراج الطاقة من الثقب الأسود  تم اثباتها تجريبياً:

هذه النظرية تعود إلى عام 1969، عندما افترض عالم فيزياء بريطاني يدعى البروفيسور روجر بنروز أنه يمكن توليد الطاقة من ثقب أسود عن طريق وضع جسم ما على "الحافة" الخارجية للثقب. وتقول النظرية إنه سيتعين على هذا الجسم أن يتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء، للإفلات من الثقب، أو ليظل في مكانه على الأقل.

ما هو الثقب الاسود ؟
النجوم العملاقة التي لها كتلة كبيرة جدا (أكبر من كتلة  الشمس)  تتولد بداخلها طاقة كبيرة جدا وتفاعلات كبيرة جدا داخل الذرات الموجودة في لب النجم وبما أن هذه التفاعلات الكبيرة مستمرة فإن هذا القدر الكبير من الطاقة سيحاول أن يخرج من لب هذا النجم ويتحدي جاذبية النجم العملاق وبعدها ستخرج هذه الطاقة بسبب التفاعلات الحاصلة داخل النجم نفسه وبعدها سيكون انفجار كبير جدا يسمى انفجار السوبرنوڤا   (super nova) وهو حدث فلكي يحدث خلال المراحل التطورية الأخيرة لحياة النجم العملاق وهذا الانفجار العملاق اما يكوّن نجم نيتروني اما يتكون منه ثقب أسود

كلّما اقترب شخص ما من الثقب الأسود كلّما كبرت السرعة التي يحتاجها للهروب من الجاذبية الهائلة التي يمتلكها.
أفق الحدث هو العتبة حول الثقب الاسود  والذي يتعلّق بسرعة هروب المواد وهي السرعة المطلوبة للهروب من قوة سحب الجاذبية للثقب الأسود والتي يمكن أن تتجاوز سرعة الضوء

the Penrose process

عند اقتراب الاجسام من مدار الجسم الاسود تبدأ اكتساب الحرارة وتصبح ساخنة الى حد كبير مما يؤدي الى اطلاق كميات كبيرة من الطاقة تعادل 14 ضعف الطاقة الناتجة عن الاندماج النووي

وخارج أفق الحدث ، تصبح المنطقة الممتدة من الزمكان ملتوية (متشابكة ) عندما يتم سحبها جنبًا إلى جنب مع دوران الثقب الأسود ، وهو تأثير يسمى تباطؤ الإطار المرجعي (frame-dragging)

ما هو الزمكان ؟ 
 الزمكان( Spacetime)‏ (الزمان- مكان) أو الزمان المكاني هو دمج لمفهومي الزمان والمكان، هو الفضاء بأبعاده الأربعة، الأبعاد المكانية الثلاثة التي نعرفها؛ الطول والعرض والارتفاع، مضاف إليها الزمن كبعد رابع، هذه الفضاء الرباعي تشكل نسيج أو شبكة تحمل كل شيء في هذا الكون، كل جسم مهما كان حجمه وكل حدث يخضع لها، فلا وجود للأشياء ولا للأحداث خارج نطاقي الزمان والمكان .

 عملية بنروز (the Penrose process ) 

 في عام 1969 ، اقترح الفيزيائي الرياضي روجر بنروز أنه يمكن استغلال منطقة خارج أفق الحدث (the event horizon  ) تُدعى الإرغوسفير (the ergosphere ) ، حيث يكون تأثير تباطؤ الإطار المرجعي ) (frame-dragging في أقوى حالاته ، لاستخراج الطاقة.

وفقًا لحسابات بنروز ، إذا سقط جسم في الإرغوسفير  ( the ergo sphere) يتم انقسامه إلى جزئين، فسيتم تمرير جزء واحد إلى ما بعد أفق الحدث(the event horizon   ).

بينما الجزء الثاني يتسارع إلى الخارج ، مع إنطلاقة إضافية من الثقب الأسود. إذا كان كل شيء يسير طبيعيا بدون ظروف استثنائية ، فإنه سيخرج من الإرغوسفير بطاقة أكثر بنحو 21 في المائة مما دخلت به.

الآن ، لا يمكننا أن ننتقل إلى ثقب أسود لاختبار ذلك ولكن في عام 1971 ، اقترح الفيزيائي السوفيتي ياكوف زيلدوفيتش (Yakov Zel'dovich ) تجربة أكثر فاعلية يمكنك استبدال الثقب الأسود بأسطوانة معدنية دائرية ، وإطلاق أشعة الضوء  عليها. إذا كانت الأسطوانة تدور بسرعة مناسبة ، فإن الضوء سينعكس مرة أخرى باستخدام طاقة إضافية مستخرجة من دوران الأسطوانة ، بسبب ظاهرة غريبة تسمى تأثير دوبلر الدوراني (the rotational Doppler effect ).

ما هو تأثير دوبلر ؟
هو تغير ظاهري للتردد أو الطول الموجي للأمواج عندما ترصد من قبل مراقب متحرك بالنسبة للمصدر الموجي(أي أن الموجة ثابتة والمراقب يتحرك)

يمكن رؤيته عندما تنبعث موجات من مصدر دائري ، والتي تقصر وتطول اعتمادًا على اتجاه الدوران. يبدو أن الموجات من الجانب الذي يدور تجاهك تقصر ؛ يبدو أن الموجات من الجانب الذي يدور بعيدًا تطول. فهذه هي الطريقة التي يستطيع بها علماء الفلك قياس دوران النجوم والمجرات.

كانت هناك مشكلة واحدة فقط مع اقتراح العالم ياكوف زيلدوفيش Zel'dovich ستحتاج سرعة الأسطوانة الدائرية إلى 1 مليار دورة على الأقل في الثانية.

 تذكر  لا يزال هناك مجال كبير للعمليات غير التطبيقية في "أكثرمن عملية فعالة من الثقب الأسود" لذلك ، بقي الأمر حتى جاء فريق من علماء الفيزياء من كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة غلاسكو في اسكتلندا قاموا بإبتكار تجربة تستند إلى اقتراح العالم ياكوف زيلدوفيش Zel'dovich ولكن بدلاً من استخدام الموجات الضوئية ، استخدموا الموجات الصوتية.

تتكون التجربة من حلقة من مكبرات الصوت تم إعدادها لإدخال تعديل ( تطور ) في الموجات الصوتية ، مماثلة للموجات الضوئية في تجربة ياكوف زيلدوفيش Zel'dovich. كان ( الثقب الأسود ) ممتصًا صوتيًا دائرياً مصنوعًا من قرص اسطواني رغوي ، والذي سيسرع دورانه عندما تضربه الموجات الصوتية. ستقوم مجموعة من الميكروفونات على الجانب الآخر من القرص باكتشاف الموجات الصوتية بعد مرورها عبر القرص.

كان دليل دامغ الذي سيتحقق من عملية بنروز هو تحول في الاهتزازة والسعة في الموجات الصوتية التي مرت عبر القرص الاسطواني.

وأوضح الفيزيائي والفلكي ماريون كرومب من جامعة جلاسكو ، (المؤلف الرئيسي لصحيفة الفريق)، أن الموجات الصوتية تغير درجة الصوت عند قياسها من ناحية (اتجاه) السطح الدائري.

"إذا كان السطح يدور بسرعة كافية ، فإن تردد الصوت  يمكن أن ينتقل من تردد موجب إلى تردد سالب ، وبذلك يأخذ بعض الطاقة من دوران السطح."

كانت النتائج مذهلة حيث ان مع تسارع دوران القرص ، انخفضت درجة الصوت التي تقرع الميكروفونات حتى كانت غير مسموعة ثم بدأت ترتفع مرة أخرى إلى الإهتزازة  الأصلية ؛ ولكن بصوت أعلى بنسبة 30 في المائة من الصوت الصادر من السماعات. كانت الموجات الصوتية تحمل طاقة إضافية من القرص الدائري.

"ما يحدث هو أن تردد الموجات الصوتية عبارة عن تأثير دوبلر يتم تحويله إلى صفر مع زيادة سرعة الدوران. عندما يبدأ الصوت في العودة مرة أخرى ، فذلك لأن الموجات تحولت من تردد موجب إلى تردد سالب. سالبية تردد الموجات تلك قادرة على أخذ بعض الطاقة من القرص الاسطواني الدائري ، لتصبح أعلى صوتًا أثناء التجربة [ تمامًا كما اقترح Zel'dovich في عام 1971 ]

يخطط الفريق لمحاولة معرفة كيفية توسيع هذا البحث ليشمل الموجات الكهرومغناطيسية (الضوء ) و هذا البحث خطوة رائعة إلى الأمام في فهم الثقوب السوداء حيث يظهر كيف يمكن استكشاف كل خصائصها في حدود المختبر .

تم نشر البحث في Nature Physics.