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L'énergie peut-elle être aspirée d'un trou noir?

Un trou noir en rotation est une force de nature si extrême qu'il entraîne avec lui le temps et l'espace qui l'entourent. Il est donc naturel de se demander si les trous noirs pourraient être utilisés comme une sorte de source d'énergie. En 1969, physicien mathématique Roger Penrose a proposé une méthode pour ce faire, maintenant connue sous le nom de "Processus de Penrose. "

La méthode pourrait être utilisée par des civilisations sophistiquées (extraterrestres ou futurs humains) pour récolter de l'énergie en fabriquant des "bombes à trou noir". Cependant, une partie de la physique requise pour ce faire n'avait jamais été vérifiée expérimentalement – jusqu'à présent. Notre étude confirmant la physique sous-jacente vient d'être publié dans Nature Physics.

Autour de son horizon d'événement (la frontière autour d'un trou noir au-delà duquel rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper), un trou noir en rotation crée une région appelée "ergosphère"Si un objet tombe dans l'ergosphère de telle sorte qu'il se divise – avec une partie tombant dans le trou noir et l'autre s'échappant – la partie qui s'enfuit gagne effectivement de l'énergie au détriment du trou noir. Donc, en envoyant des objets ou la lumière vers un trou noir en rotation, nous pourrions récupérer de l'énergie.

Mais cette théorie tient-elle? En 1971, le physicien russe Yakov Zel'dovich traduit à d'autres systèmes rotatifs qui pourraient être testés sur Terre. Le trou noir est devenu un cylindre rotatif fait d'un matériau qui peut absorber l'énergie.

Zel'dovich a imaginé que les ondes lumineuses pourraient extraire l'énergie du cylindre et devenir amplifiées. Pour que l'effet d'amplification fonctionne, cependant, ces ondes doivent avoir quelque chose appelé "moment angulaire" ce qui les tord en spirales.

Lorsque des ondes lumineuses torsadées frappent un tel cylindre, leur fréquence devrait changer en raison de ce que l'on appelle le "Doppler. "Vous l'avez très probablement ressenti en écoutant une sirène d'ambulance. Quand elle se déplace vers vous, elle a un ton plus élevé que lorsqu'elle s'éloigne de vous – la direction du voyage modifie la hauteur du son. De la même manière, les changements la vitesse de rotation modifie la fréquence perçue d'une onde lumineuse.

Si le cylindre tourne assez vite, la fréquence de l'onde modifiée devrait chuter si bas qu'elle deviendra négative (ce qui signifie simplement que l'onde tourne dans la direction opposée).

Les ondes de fréquence positives devraient être partiellement absorbées par le cylindre, perdant ainsi de l'énergie. Mais les ondes de fréquence négatives transformeraient cette perte en gain et seraient plutôt amplifiées par le cylindre. Ils extraient l'énergie de la rotation, tout comme l'objet s'échappant du trou noir de Penrose.

Tester la théorie de Zeldovich peut sembler simple. Mais l'objet en rotation doit tourner à la même fréquence ou à une fréquence plus élevée que les ondes. Pour amplifier les ondes lumineuses visibles, qui oscillent à une fréquence de centaines de billions de fois par seconde, vous devez faire pivoter un objet absorbant des milliards de fois plus rapidement que tout ce qui est mécaniquement possible aujourd'hui.

Percée enfin

La lumière se déplace à environ 300 millions de mètres par seconde. Donc, pour rendre la théorie plus facile à tester, nous avons choisi d'utiliser des ondes sonores, qui se déplacent environ un million de fois plus lentement, ce qui signifie que nous n'avions pas besoin que l'absorbeur tourne si rapidement.

Pour créer une onde sonore tordue, nous avons utilisé un anneau d'enceintes émettant toutes la même fréquence mais commençant à des moments légèrement différents, de sorte que le son suit une spirale. Pour notre absorbeur rotatif, nous avons utilisé un morceau de mousse insonorisante attaché à un moteur. Des microphones placés à l'intérieur de la mousse nous ont permis d'enregistrer le son après qu'il ait interagi avec l'absorbeur rotatif.

Nous avons constaté que lorsque la mousse s'étalait lentement (à basse fréquence), le son que nous avons enregistré était plus silencieux car il avait été absorbé par la mousse. Mais lorsque nous avons fait tourner la mousse assez rapidement pour qu'elle puisse décaler la fréquence des ondes sonores suffisamment pour les rendre négatives, le son est devenu plus fort.

Cela ne peut que signifier que l'onde sonore a pris l'énergie de notre absorbeur rotatif, prouvant enfin la théorie vieille de 50 ans.

Bombe trou noir

Bien sûr, tout cela ne vérifie pas explicitement que l'idée de Penrose pour l'extraction d'énergie fonctionnera réellement pour un trou noir. Au lieu de cela, nos expériences vérifient la physique sous-jacente contre-intuitive en montrant que le déplacement des fréquences des ondes du positif au négatif entraîne une augmentation plutôt qu'une perte d'énergie des vagues.

Bien que nous ne soyons pas près d'extraire de l'énergie d'un trou noir en rotation, cela ne signifie pas que cela ne pourrait pas être fait par une civilisation extraterrestre très avancée – ni même par notre propre civilisation dans un avenir lointain. Une telle civilisation pourrait construire une structure autour du trou noir qui tourne avec elle et y déposer des astéroïdes ou même des ondes électromagnétiques qui seraient réfléchies avec plus d'énergie.

Encore mieux, ils pourraient construire une soi-disant bombe à trou noir en entourant complètement le trou noir d'une coque de miroir réfléchissant. La lumière projetée dans le trou noir reviendrait amplifiée, puis réfléchie par le miroir vers le trou noir pour être à nouveau amplifiée, et ainsi de suite.

L'énergie augmenterait de façon exponentielle dans une explosion incontrôlable de va-et-vient. Mais en laissant une partie de cette lumière amplifiée sortir de la coquille à travers un trou, vous pouvez contrôler le processus et produire une énergie essentiellement illimitée.

Bien que ce soit encore de la science-fiction, dans un avenir très lointain où l'univers est presque mort et que les seuls restes de galaxies et d'étoiles sont des trous noirs, cette méthode serait le seul espoir de survie d'une civilisation. Ce serait un univers avec d'immenses sources d'énergie isolées, brillant dans un ciel par ailleurs complètement noir.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. La publication a contribué l'article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Live Science.

Daniele Faccio, professeur de technologies quantiques, Université de Glasgow

Marion Cromb, doctorante en physique, Université de Glasgow

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