Czarne dziury jako kosmiczne baterie. Czy przyszłość energetyki kryje się w głębinach Wszechświata?

Spis treści:

1. Naturalne elektrownie we Wszechświecie
2. Penrose i energia z karuzeli
3. Skala Kardaszewa i nasze miejsce w kosmosie
4. Nauka i fantastyka idą ręka w rękę

Czarne dziury to nie tylko kosmiczne pułapki. Gdy są otoczone materią – na przykład w centrach galaktyk – stają się źródłem zjawisk o niewiarygodnej sile. Kwazary, czyli aktywne jądra galaktyk zasilane przez supermasywne czarne dziury, emitują więcej energii niż miliardy gwiazd razem wzięte. Jak do tego dochodzi?

Kluczem jest ruch obrotowy. Weźmy tzw. czarne dziury Kerra – czyli takie, które obracają się wokół własnej osi. Zostały nazwane na cześć Roya Kerra, nowozelandzkiego matematyka, który w 1963 roku jako pierwszy opisał ich matematyczny model w ramach ogólnej teorii względności Einsteina. Czarne dziury Kerra potrafią wirować niemal z prędkością światła. Ich rotacja zakrzywia przestrzeń wokół nich w zjawisku znanym jako „przeciąganie układu odniesienia”. W praktyce oznacza to, że wszystko, co znajduje się w pobliżu, zostaje porwane przez ten rotacyjny wir – od gazu, przez pył, aż po światło.

Naturalne elektrownie we Wszechświecie

Zjawiska takie jak kwazary czy mikrokwazary (czyli ich „miniaturowe” odpowiedniki z czarnymi dziurami o masie kilkudziesięciu Słońc) pokazują, że natura znalazła sposób na wydobycie energii z tych obiektów. Gaz i pył wirują wokół czarnej dziury w dysku akrecyjnym, nagrzewając się do milionów stopni i emitując olbrzymie ilości promieniowania. Część materii zostaje wciągnięta za horyzont zdarzeń, ale reszta – dzięki silnym polom magnetycznym – zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną w postaci tzw. relatywistycznych dżetów.

To właśnie te gigantyczne emisje energii budzą zainteresowanie fizyków. Jeśli natura może to robić, to może człowiek będzie w stanie ją skopiować?

Penrose i energia z karuzeli

Już w 1969 roku fizyk i laureat Nagrody Nobla z fizyki Roger Penrose zaproponował sposób na wydobycie energii z rotacji czarnej dziury. Jego pomysł – dziś znany jako „proces Penrose’a” – można przedstawić w prostej analogii. Wyobraźmy sobie karuzelę, która obraca się siłą bezwładności. Jeśli rzucimy piłkę w przeciwnym kierunku do jej ruchu, odbije się z większą prędkością, a karuzela zwolni. Część jej energii została przeniesiona na piłkę.

Zgodnie z teorią Penrose’a, można „wystrzelić” cząstkę w kierunku obracającej się czarnej dziury tak, aby fragment tej cząstki wrócił z większą energią, odbierając tym samym część rotacyjnej mocy czarnej dziury. To czysta fizyka, a dla nas tu i teraz też czysta fantazja. Ale kto wie, może rozwój technologiczny nam to kiedyś umożliwi.

Skala Kardaszewa i nasze miejsce w kosmosie

Aby zrozumieć, jak daleko jesteśmy od wykorzystania energii czarnych dziur, warto sięgnąć po tzw. skalę Kardaszowa. To klasyfikacja cywilizacji według poziomu technologicznego opartego na możliwości wykorzystania dostępnej energii:

• typ I: opanowanie energii dostępnej na własnej planecie,
• typ II: pełne wykorzystanie energii gwiazdy,
• typ III: kontrola nad energią całej galaktyki.

Ludzkość – według szacunków – znajduje się obecnie na poziomie 0,7. Żeby pozyskać energię z mikrokwazara, potrzebowalibyśmy technologii typowej dla cywilizacji typu II. Energia supermasywnej czarnej dziury? To już domena cywilizacji typu III.

Ale nawet gdybyśmy osiągnęli poziom trzeci na skali Kardaszowa, pozyskanie energii z czarnej dziury nadal byłoby olbrzymim wyzwaniem. W naszym Układzie Słonecznym nie ma żadnej czarnej dziury. Najbliższa, Gaia BH1, znajduje się ponad 1500 lat świetlnych od Ziemi. Znajdująca się w samym centrum Drogi Mlecznej supermasywna czarna dziura Sagittarius A*, leży jeszcze dalej – 26 tys. lat świetlnych stąd.

Podróż międzygwiezdna, potrzebna do zbliżenia się do tych obiektów, przekracza obecne możliwości technologiczne. Co więcej, samo zbliżenie się do czarnej dziury niesie ryzyko zniszczenia przez jej potężną grawitację i promieniowanie.

Nauka i fantastyka idą ręka w rękę

Mimo tych przeszkód, rozważania nad energią czarnych dziur nie są stratą czasu. Jak zauważa badacz Jaime Pinochet, takie koncepty rozwijają wyobraźnię, uczą pokory wobec kosmosu i inspirują młodych naukowców. To właśnie w nauce granice „możliwe” i „niemożliwe” nieustannie się przesuwają.

Dzięki badaniom nad czarnymi dziurami powstało wiele kluczowych odkryć. W tym jedno z największych: promieniowanie Hawkinga. Profesor Stephen Hawking udowodnił, że czarne dziury nie są całkowicie czarne – emitują cząstki i z czasem wyparowują. To odkrycie wywróciło do góry nogami nasze rozumienie kosmicznej fizyki i pokazało, że nawet najciemniejsze zakątki Wszechświata mogą kryć subtelne źródła energii.

Choć dziś pomysł wykorzystywania czarnych dziur jako „kosmicznych baterii” brzmi jak fantastyka naukowa, nie można go całkowicie odrzucić. Historia nauki pokazuje, że wiele rzeczy, które niegdyś wydawały się nierealne – loty kosmiczne, satelity, energia atomowa – stało się częścią naszej rzeczywistości. Już dziś uczeni spekulują, że odległe obce cywilizacje czerpią energię z czarnych dziur.

Może więc nadejdzie dzień, w którym ludzkość opanuje siły wirujących czarnych dziur. Do tego czasu jednak warto sięgać myślą poza horyzonty – nawet te zdarzeń – bo to właśnie tam rodzą się wielkie idee.

Źródło: Space.com

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.