Schwarze Löcher sind leistungsstarke Gravitationsmaschinen. Sie könnten sich also vorstellen, dass es eine Möglichkeit geben muss, ihnen Energie zu entziehen, wenn man die Möglichkeit dazu hat, und Sie haben Recht. Natürlich könnten wir die gesamte Wärme und kinetische Energie der Akkretionsscheibe und der Jets eines Schwarzen Lochs nutzen, aber selbst wenn man nur ein Schwarzes Loch im leeren Weltraum hätte, könnte man mit einem Trick, der als Penrose-Prozess bekannt ist, Energie gewinnen.
Zuerst vorgeschlagen von Roger Penrose im Jahr 1971, es ist eine Möglichkeit, einem Schwarzen Loch Rotationsenergie zu entziehen. Es nutzt einen Effekt, der als „Frame Dragging“ bekannt ist und bei dem ein rotierender Körper den umliegenden Raum so verdreht, dass ein Objekt, das auf den Körper fällt, leicht entlang der Rotationsbahn gezogen wird. Wir haben den Effekt in der Nähe der Erde beobachtet, obwohl er winzig ist. In der Nähe eines rotierenden Schwarzen Lochs kann der Effekt enorm sein. So stark, dass innerhalb einer Region, die als Ergosphäre bekannt ist, Objekte mit Geschwindigkeiten um das Schwarze Loch herumgezogen werden können, die größer sind als die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum.
Grob gesagt besteht der Penrose-Prozess darin, in die Ergosphäre eines sich schnell drehenden Schwarzen Lochs zu fliegen und dann etwas Masse oder Strahlung in das Schwarze Loch freizusetzen. Durch den daraus resultierenden Rotationsstoß werden Sie schneller vom Schwarzen Loch weggeschickt, als Sie sich ihm genähert haben. Die zusätzliche Energie, die Sie erhalten, wird durch die Verlangsamung der Rotation des Schwarzen Lochs ausgeglichen. Dieser Prozess kann theoretisch bis zu 20 % der Massenenergie des Schwarzen Lochs extrahieren, was enorm ist. Im Vergleich dazu liefert die Fusion von Wasserstoff zu Helium nur etwa 1 % der Massenenergie.
Natürlich sind theoretische Physiker nie zufrieden. Wenn man einem Schwarzen Loch 20 % der Massenenergie entziehen kann, warum nicht mehr? Dies ist der Schwerpunkt eines Aktuelles Papier gepostet an die arXiv Preprint-Server, obwohl zu beachten ist, dass er sich auf eine abstraktere Vorstellung von einem Schwarzen Loch konzentriert, als wir es im Universum sehen.
Einfache Schwarze Löcher können durch drei Dinge charakterisiert werden: Masse, Rotation und elektrische Ladung. Die Schwarzen Löcher, die wir beobachten, haben die ersten beiden, aber da Materie elektrisch neutral ist, nicht das dritte. Dieser Artikel konzentriert sich auf geladene Schwarze Löcher. Das Universum expandiert ebenfalls und kann grob durch eine Lösung von Einsteins Gleichungen beschrieben werden, die als De-Sitter-Raum bekannt ist. Es beschreibt ein leeres Universum mit einer positiven kosmologischen Konstante.
Der Anti-de-Sitter-Raum (AdS) wäre ein Universum mit einer negativen kosmologischen Konstante. Obwohl AdS das Universum nicht beschreibt, ermöglicht es einige mathematische Tricks, die Theoretiker lieben, und wird daher häufig verwendet, um die Grenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erkunden. Dieses Papier befasst sich speziell mit einem geladenen Schwarzen Loch im Anti-de-Sitter-Raum.
Obwohl diese Studie rein hypothetisch ist, ist sie als „Was-wäre-wenn“-Szenario interessant. Anstatt Energie aus der Rotation eines Schwarzen Lochs zu gewinnen, untersuchen die Autoren, wie man mithilfe des Bañados-Silk-West-Effekts (BSW) Energie durch Teilchenzerfall gewinnen kann. Mithilfe einer Art elektromagnetischer oder physikalischer Einschlussspiegel können Teilchen in der Nähe des Ereignishorizonts hin und her reflektiert werden und dabei Energie aus dem Schwarzen Loch gewinnen, bis sie in nutzbare Energie zerfallen.
Das Problem bei dieser Idee besteht, wie die Autoren zeigen, darin, dass dies zu einem Runaway-Effekt führen kann, bei dem die Teilchenenergie die Teilchenenergie in einer Rückkopplungsoptik verstärkt, was zu einer sogenannten Schwarzen-Loch-Bombe führt. Wenn Sie also in der Nähe eines geladenen Schwarzen Lochs in einem Anti-De-Sitter-Universum ein Kraftwerk bauen, sollten Sie vorsichtig sein.
Interessanter ist jedoch, dass die Autoren auch den Fall eines geladenen Schwarzen Lochs in einem ansonsten leeren Anti-de-Sitter-Universum untersuchten. In diesem Fall würde auch dem Schwarzen Loch Energie entzogen. Anstelle von Spiegeln würde die Struktur der Raumzeit selbst als eine Art Einschlusskammer fungieren. Das geladene Schwarze Loch würde also von selbst Energie freisetzen. Es wäre der Hawking-Strahlung ähnlich, aber in diesem Fall beruht es nicht auf der Quantengravitation. Die Autoren fanden auch heraus, dass dieser Fall nicht zu einer Bombe eines Schwarzen Lochs führt.
Wie bereits erwähnt, gilt nichts davon für echte Schwarze Löcher im Universum. Soweit wir wissen, ist der Penrose-Prozess das Beste, was wir wirklich tun konnten. Aber Studien wie diese sind nützlich, weil sie etwas über die grundlegende Natur von Raum und Zeit verraten. Und jetzt wissen wir, dass Schwarze Löcher selbst in einem seltsamen Antiuniversum, das wir uns nur vorstellen können, im Laufe der Zeit Energie freisetzen können.
Mehr Informationen:
Duarte Feiteira et al., Penrose-Prozess in Reissner-Nordström-AdS-Raumzeiten von Schwarzen Löchern: Energiefabriken von Schwarzen Löchern und Bomben von Schwarzen Löchern, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2401.13039