استفاده از سیاهچالهها به عنوان باتری!
یکی از پرسش‌های جذاب اما دور از ذهن این است که آیا بشر می‌تواند انرژی سیاهچالهها را مهار کند و به عنوان نوعی باتری از آنها بهره‌گیری نماید؟ استخراج انرژی از سیاه چاله‌ها امکان‌پذیر است و می‌تواند راه‌حلی پاک و کارآمد برای مشکلات پیچیده انرژی باشد که احتمالاً در آینده‌ای دور با آن مواجه خواهیم بود.
به گزارش خبرگزاری سینا، انسان‌ها به درستی مجذوب سیاهچالهها هستند، اما آیا می‌توانیم از آنها به عنوان منبع انرژی استفاده کنیم؟ تحقیقات جدید، این پرسش را به منظور کشف برخی از شگفت انگیزترین رویدادهای کیهانی مطرح می‌کند.
سیاهچالهها با موانع بیرونی به نام «افق رویداد» محدود شده‌اند که ما را از دیدن فضای داخلی یا قلب آنها که تکینگی‌هایی هستند که در آن همه قوانین شناخته شده فیزیک فرو می‌پاشند، بازمی‌دارد. این بدان معناست که سیاهچالهها بسیار مرموز هستند. آنها از بسیاری از جنبه‌ها شبیه به هر چیزی که روی زمین یا منظومه شمسی یافت می‌شود، نیستند.
هنگامی که سیاهچالهها توسط ماده احاطه شوند، می‌توانند مسئول پرانرژی‌ترین پدیده‌های جهان شناخته شده باشند، از جمله اختروش‌هایی که از نور ترکیبی میلیاردها ستاره موجود در کهکشان‌هایی که آنها را در بر می‌گیرند، می‌تابد. جای تعجب نیست که فیزیکدانان مدت‌ها به این فکر کرده‌اند که آیا می‌توان بخشی از این انرژی را برداشت کرد؟
خورخه پینوشه(Jorge Pinochet)، نویسنده این پژوهش از دانشگاه علوم تربیتی متروپولیتن می‌گوید: در مقاله مهمی که در سال 1969 نوشته شد، راجر پنروز(Roger Penrose)، فیزیکدان برنده جایزه نوبل، این احتمال را مطرح کرد که یک تمدن پیشرفته بتواند از یک سیاهچاله در حال چرخش، انرژی استخراج کند.
وی افزود: در اصل، این استخراج امکان‌پذیر است و می‌تواند راه‌حلی پاک و کارآمد برای مشکلات پیچیده انرژی باشد که احتمالاً به‌عنوان یک جامعه در آینده‌ای دور با آن مواجه خواهیم بود.
استخراج انرژی از سیاهچالهها
آن انرژی که پنروز و اکنون پینوشه پیشنهاد می‌کنند و از نظر تئوری می‌تواند از سیاهچالهها استخراج شود، انرژی جنبشی است که آنها را در حال چرخش نگه می‌دارد.
بدیهی است که سیاهچالهها تنها اجرام کیهانی نیستند که می‌چرخند، اما چیزی بسیار خاص در مورد سیاهچالههای چرخان یا «سیاهچالههای کِر»( Kerr black holes) وجود دارد که برای دیگر اجرام کیهانی در حال چرخش صادق نیست.
پینوشه می‌گوید: «سیاهچالههای کِر» می‌توانند با سرعتی نزدیک به سرعت نور در خلاء بچرخند که حداکثر سرعت مجاز فیزیک نسبیتی است. هیچ جسم دیگری در جهان نمی‌تواند این کار را انجام دهد، زیرا نیروهای گریز از مرکز آن را از هم می‌پاشند.
همانطور که آنها می‌چرخند، نفوذ گرانشی عظیم «سیاهچالههای کِر»، بافت فضا را با خود در فرآیندی به نام «کشش قاب»( frame-dragging) یا «اثر لنز-تیرینگ»( Lense-Thirring effect) می‌کشاند که به نام فیزیکدانانی که برای اولین بار آن را پیشنهاد کردند (جوزف لنز و هانس ترینگ) نام‌گذاری شده است.
این به هم خوردن بافت فضا به این معنی است که اجرام و مواد احاطه کننده سیاهچاله نمی‌توانند ثابت بنشینند و در حالی که سیاهچاله محیط اطراف خود را می‌چرخاند، به امتداد کشیده می‌شوند.
پینوشه می‌گوید: همانطور که همه ما در مدرسه می‌آموزیم، اساسی‌ترین شکل انرژی مربوط به حرکت است که انرژی جنبشی نامیده می‌شود و به سرعت بستگی دارد. بنابراین یک سیاهچاله در حال چرخش دارای انرژی جنبشی چرخشی است و با کشیدن فضا به همراه خود، انرژی چرخشی خارق‌العاده خود را به اجرام اطرافش می‌دهد.
طبیعت چگونه انرژی سیاهچاله را استخراج می‌کند؟
مکانیسم ترجیحی طبیعت برای استخراج انرژی سیاهچاله را می‌توان در «اختروش‌ها» مشاهده کرد. اختروش‌ها سیاهچالههای کلان‌جرمی با جرم میلیون‌ها یا میلیاردها برابر خورشید هستند که توسط ابری صاف از گاز و غبار چرخان به نام «قرص برافزایش» احاطه شده‌اند.
این امر در مقیاسی بسیار کوچکتر توسط «ریزاختروش‌ها» تکرار می‌شود؛ جایی که یک قرص برافزایشی از گاز و غبار، سیاهچالهای با جرم ستاره‌ای در حال چرخش بسیار کوچکتر با جرمی بین 10 تا 100 برابر خورشید را احاطه کرده است.
پینوشه می‌گوید: در طول چرخش قرص برافزایش، بخش‌های مختلف قرص به یکدیگر ساییده می‌شوند و در دمایی که به میلیون‌ها کلوین می‌رسد، به پلاسما تبدیل می‌شوند که منجر به انتشار مقادیر زیادی تشعشع می‌شود. در حین چرخش، مواد موجود در قرص برافزایش مسیرهای مارپیچی را به سمت لبه‌های سیاهچاله طی می‌کنند که به تدریج آن را می‌بلعد.
موادی که توسط سیاهچاله بلعیده نمی‌شوند، می‌توانند توسط میدان‌های مغناطیسی قدرتمند به قطب‌های آن هدایت شوند. در آنجا، سرعت آن به نزدیک سرعت نور می‌رسد. این ماده به صورت جت‌های پرانرژی به نام «جت‌های نسبی‌گرا»، یکی از هر قطب و با جهت 90 درجه نسبت به صفحه چرخشی سیاهچاله منفجر می‌شود.
پینوشه می‌گوید: از آنجایی که سیاهچالههای کلان‌جرم در مرکز اکثر کهکشان‌ها قرار دارند، اختروش‌ها پدیده‌های غول‌پیکری هستند که در مقیاس کهکشانی رخ می‌دهند.
منبع انرژی برای این پدیده‌های فوق العاده قدرتمند، انرژی چرخشی «سیاهچاله کِر» است.
پینوشه می‌گوید: از آنجایی که یک سیاهچاله در حال چرخش انرژی را به محیط اطراف خود منتقل می‌کند، منبع این انرژی که چرخش آن است، کاهش می‌یابد، به این معنی که سیاهچاله به آرامی می‌چرخد. در تئوری، این فرآیند زمانی متوقف می‌شود که سیاهچاله از چرخش باز می‌ماند و به سیاهچاله ایستا یا شوارتزشیلد(Schwarzschild) تبدیل می‌شود.
از آنجایی که تصور می‌شود سیاهچالهها ویژگی‌های بسیار کمی دارند که برجسته‌ترین آنها چرخش یا اسپین و جرم است، سیاهچاله شوارتزشیلد ساده‌ترین نوع سیاهچاله است، زیرا تنها پارامتری که آن را توصیف می‌کند، جرم آن است.
پینوشه می‌گوید: این ویژگی آن را از «سیاهچاله کِر» که مدلی ریاضی برای توصیف یک سیاهچاله در حال چرخش است، متمایز می‌کند که هم جرم و هم چرخش آن یا حرکت زاویه‌ای آن مشخص می‌شود.
آیا می‌توانیم «باتری‌های سیاهچالهای ایجاد کنیم؟
شکاف بزرگی بین دانستن اینکه طبیعت راهی برای استخراج انرژی از سیاهچالهها پیدا کرده است و توانایی بشر برای تکرار این فرآیند وجود دارد. ساده‌ترین راه برای انجام این کار روی انرژی چرخشی چشمگیر سیاهچاله تمرکز نمی‌کند.
پینوشه توضیح داد: شاید ساده‌ترین شکل استخراج انرژی، مهار مستقیم انتشار تشعشعات خارق‌العاده اختروش‌ها یا ریزاختروش‌ها باشد، همانطور که ما در زمین از انرژی تابشی خورشید استفاده می‌کنیم. با این حال در این مورد، ما به طور مستقیم انرژی دَوَرانی را استخراج نمی‌کنیم، بلکه انرژی حرارتی تولید شده توسط چرخش را استخراج می‌کنیم.
استخراج انرژی چرخشی یک سیاهچاله پیچیده‌تر است، اما هنوز از نظر تئوری ممکن است. پنروز در مقاله خود در سال 1969 مکانیزمی را توصیف کرد که می‌توانست به طور مستقیم از انرژی دَوَرانی به جای انرژی حرارتی بهره‌گیری کند.
پینوشه این مکانیسم را با قیاسی ساده و قابل درک مدل می‌کند که نمی‌توان آن را به معنای واقعی کلمه در نظر گرفت، اما می‌تواند ایده‌ای شهودی از روش استخراج انرژی ابداع شده توسط پنروز ارائه دهد.
پینوشه می‌گوید یک چرخ فلک را تصور کنید که فقط با اینرسی می‌چرخد. یعنی پس از دریافت یک فشار اولیه یا ضربه، حتی با وجود خاموش بودن موتورها به چرخش ادامه می‌دهد.
اگر یک کودک، توپی را در یکی از چرخ و فلک‌ها بر خلاف جهت چرخش پرتاب کند، توپ به عقب برگشته و سرعتی بالاتر از آنچه در ابتدا داشت به دست می‌آورد. در نتیجه چرخ فلک مقداری از سرعت چرخش خود را از دست خواهد داد. این بدان معناست که انرژی جنبشی اضافی توپ از انرژی جنبشی چرخش چرخ و فلک می‌آید.
وی افزود: آنچه پنروز تصور می‌کرد این بود که ما یک ذره را بر خلاف جهت چرخش یک سیاهچاله پرتاب می‌کنیم و قطعه‌ای از این ذره با انرژی بیشتری نسبت به ذره پرتاب شده اولیه به ما باز می‌گردد. در نتیجه، سیاهچاله مقداری از انرژی دَوَرانی خود را از دست می‌دهد و کندتر خواهد چرخید. به عبارت دیگر، ما انرژی را از سیاهچاله به قیمت چرخش آن استخراج خواهیم کرد.
علمی یا علمی-تخیلی؟
همانطور که پنروز زمانی که در ابتدا استخراج انرژی از یک سیاهچاله را در پایان دهه 1960 مطرح کرد، اشاره کرد؛ چنین شاهکاری تنها توسط یک تمدن فوق العاده پیشرفته قابل دستیابی است.
پینوشه برای روشن ساختن اینکه بشریت چقدر تا تبدیل شدن به چنین تمدنی فاصله دارد، به «مقیاس کارداشف»( Kardashev scale) اشاره می‌کند که درجه تکامل فناوری یک تمدن را بر اساس سه دسته به نام‌های نوع اول، نوع دوم و نوع سوم می‌سنجد.
وی توضیح داد: نوع اول مربوط به تمدنی است که بر منابع سیاره اصلی خود تسلط دارد. نوع دوم بر منابع منظومه سیاره‌ای خود تسلط دارد و نوع سوم بر منابع کهکشان خود تسلط دارد. ما بر اساس «مقیاس کارداشف» یک تمدن نوع 0.7 هستیم. برای تسلط بر انرژی چرخشی یک ریزاختروش، باید تمدن نوع دوم باشیم و برای تسلط بر انرژی یک اختروش، باید تمدن نوع سوم باشیم.
وی ادامه داد: بنابراین ما هنوز راه زیادی در پیش داریم تا بتوانیم امکان استخراج انرژی از یک سیاهچاله در حال چرخش را به طور جدی در نظر بگیریم.
البته حتی اگر بشریت به وضعیت نوع سوم برسد نیز هنوز محدودیت فیزیکی بزرگی وجود دارد که باید برای استفاده از «باتری‌های سیاهچالهای» بر آن غلبه کند.
پینوشه می‌گوید: شاید بزرگترین مشکل این باشد که برای استخراج انرژی از یک سیاهچاله در حال چرخش، باید یکی از این اجرام را نزدیک خود داشته باشیم و تا آنجا که می‌دانیم، هیچ سیاهچالهای در منظومه شمسی یا مجاورت آن وجود ندارد. بنابراین اگر می‌خواستیم انرژی این اجرام را مهار کنیم، باید سفرهای بین ستاره‌ای را انجام می‌دادیم که بسیار فراتر از توانایی‌های فناورانه فعلی ما است.
گفتنی است که نزدیکترین سیاهچاله به ما «Gaia BH1» است که در فاصله تقریباً 1560 سال نوری از ما قرار دارد. نزدیکترین ابرسیاهچاله یا سیاهچاله کلان‌جرم به ما نیز «کمان ای*»(Sagittarius A*) نام دارد که در قلب کهکشان راه شیری و در فاصله 26 هزار سال نوری از ما قرار دارد. این بدان معناست که حتی اگر بشریت بتواند با کسر قابل توجهی از سرعت نور سفر کند، چنین سفری خارج از محدوده عمر فعلی ما خواهد بود.
پینوشه می‌گوید: در اصل، هیچ محدودیتی برای استخراج انرژی عظیم از یک سیاهچاله در حال چرخش وجود ندارد، اما فناوری مورد نیاز برای انجام چنین شاهکاری بسیار فراتر از منابع متوسط ماست. با این حال در حال حاضر، امکان استخراج چنین انرژی موضوعی است که به داستان علمی-تخیلی نزدیکتر است تا علم جدی و واقعی.
فایده محاسبه غیرممکن‌ها
با عدم امکان مهار انرژی سیاهچاله در شرایط فعلی، نوشتن مقاله در مورد سیاهچالهها و استخراج انرژی از آنها ممکن است کمی عجیب به نظر برسد. با این حال از نظر پینوشه، اندیشیدن در مورد ایده‌هایی مانند این برای آموزش نسل بعدی فیزیکدانان ضروری است.
این پژوهشگر توضیح داد: برای دانش‌آموزان و دانشجویان مهم است که در مورد سیاهچالهها و موضوعات مرتبط با آن فکر کنند، زیرا به روند آموزشی آنها کمک می‌کند. این کار، اشتهای فکری آنها را تحریک می‌کند و به آنها کمک می‌کند تا دانشمندان بهتری شوند.
وی افزود: من شخصاً سیاهچالهها و جهان را برای لذت فکری که به من می‌دهد و به این دلیل که حس فروتنی عمیقی را در برابر عظمت کیهان القا می‌کند، مطالعه می‌کنم. معتقدم اینها انگیزه‌های اصلی برای دانشجویان هنگام ورود به حرفه‌های مرتبط با فیزیک و نجوم است.
پینوشه به استفاده از سیاهچالهها و پدیده‌های مرتبط با آنها به‌عنوان ابزار آموزشی ادامه خواهد داد و در ادامه کار استیون هاوکینگ، مسلماً بزرگترین فیزیکدان عصر مدرن را بررسی خواهد کرد.
پینوشه می‌گوید: به زودی مقاله‌ای در مجله Physics Teacher منتشر می شود که در آن من یک مشتق ریاضی ابتدایی از بزرگترین کشف استیون هاوکینگ را ارائه می‌کنم که نابغه بریتانیایی آن را با گفتن «سیاهچالهها چندان سیاه نیستند» خلاصه کرده است. چیزی که هاوکینگ کشف کرد این بود که سیاهچالهها دمایی دارند که به طور معکوس به جرم آنها بستگی دارد. هر چه جرم بیشتر باشد، دما کمتر می‌شود، به این معنی که این اجرام تابش ساطع می‌کنند و به مرور زمان تبخیر می‌شوند.
پینوشه علاوه بر کار بر روی کشف هاوکینگ، معروف به «تابش هاوکینگ»، در حال آماده‌سازی چندین مقاله آموزشی است که به موضوعات دیگری در مرزهای فیزیک، مانند ماشین زمان، سیاهچالهها و انرژی تاریک می‌پردازد.
وی در پایان گفت: در نهایت، انگیزه اصلی کار من این است که موضوعات اصلی فیزیک معاصر را به گسترده‌ترین مخاطبان ممکن برسانم.
تحقیقات پینوشه در پایگاه arXiv منتشر شده است.
