Černé díry jsou budoucí gigantický zdroj energie, tvrdí opavští astrofyzikové

Tisková zpráva Fyzikálního ústavu Slezské univerzity v Opavě ze dne 16. února 2021

Současné znalosti fyzikálních vlastností černých děr jasně dokládají, že se tyto objekty otáčejí okolo své osy velmi rychle a jsou tak rezervoárem značného množství tzv. rotační energie. U typické supermasivní černé díry (o hmotnosti přibližně miliard hmotností Slunce) mluvíme o energii přibližně 10⁵⁵ Joulů, což je sto bilionkrát (tedy o 14 řádů!) více než kolik energie je v daném okamžiku potřeba na celé zeměkouli! Opavští vědci nyní předpokládají, že tuto energii z okolí černé díry lze extrahovat, tzv. magnetickým Penroseovým procesem.

černá díra jako kosmická elektrárna

Již v roce 1969 zjistil britský fyzik Roger Penrose, čerstvý nositel Nobelovy ceny za fyziku, že v okolí rotující černé díry se dá získat obrovské množství energie díky jevu známému jako „strhávání časoprostoru“. Tento jev nastává i v okolí Země, ale v porovnání se supermasivní černou dírou je prakticky zanedbatelný. V roce 1977 fyzici Roger Blandford a Roman Znajek přišli s teorií, že energii může poskytnout rotující černá díra v magnetickém poli. Linie magnetického pole se vlivem strhávání časoprostoru zkroutí a vytvoří efektivní elektrický náboj. Jak se náboj vybíjí, rotační energie černé díry se extrahuje ven.

Pozdější studie ukázaly, že jde o vysoce účinný proces, s účinností přesahující 100 % (!) i pro velmi slabá magnetická pole. Jak výpočetní technika pokročila, vědci vložili své komplikovanější modely do výkonnějších počítačů a výsledky potvrdily možnost extrahovat energii v okolí černých děr s účinností mnohem vyšší než 100 %.  V našem případě je účinnost vztažená ke klidové energii částice (např. proton), jež je urychlována. Což, jak známo například v urychlovačích v CERNu, může přesáhnout magickou hranici 100 % opravdu mnohonásobně. Pochopitelně tedy nejde o „perpetuum mobile“ vytvářející energii z ničeho. Energie je částici dodávána na úkor rotační energie černé díry, jež je tímto procesem odčerpávána a rotace černé díry adekvátně zpomalena. Magnetické pole má roli katalyzátoru umožňujícího odčerpání rotační energie. Magnetizované supermasivní černé díry tedy fungují jako gigantické urychlovače částic.

účinnost až biliony procent

S jakou účinností přesně by se taková energie dala vytěžit, se zabývali vědci ze Slezské univerzity v Opavě. V sérii prací, které byly publikovány například v prestižním vědeckém časopise Astrophysical Journal, tvrdí, že extrakce energie z černé díry funguje ve třech základních režimech účinnosti: nízký, střední a ultra. V nízkém režimu se účinnost extrakce energie shoduje s účinností původního Penroseova procesu, přičemž dosahuje maximálně pouze 21 %. V mírném režimu se uvažuje předpoklad Brandforda a Znajeka a účinnost je již několik set procent. Ultraefektivní režim těžby energie může podle opavských fyziků nastat u typických supermasivních černých děr (Super-Massive Black Hole – SMBH). U nich lze přesáhnout stovky bilionů procent účinnosti. Za typickou SMBH si autoři představují černou díru, kterou lze najít ve středech většiny galaxií. Má hmotnost miliard hmotností Slunce a je obklopena magnetickým polem přibližně 10-100 tisíckrát silnějším než na povrchu Země. Třetí režim by mohl být v budoucnu klíčovým procesem těžby rotační energie černé díry a napájení zdrojů vysoké energie nebo napájením pohonů kosmických lodí. Něco jako „kosmická čerpací stanice“.

Navrhovaný proces přímo souvisí s různými vysoce energetickými jevy, které dnes vědci zkoumají ve zmíněné laboratoři CERN. Rozpad částic v blízkosti horizontu událostí supermasivní černé díry může přirozenou cestou překročit hodnoty energie dosažené v Large Hadron Colider, nejsilnějším urychlovači částic na Zemi, více než deset milionkrát! Pokud by se to v budoucnu podařilo ke zdroji energie v okolí černých děr „napojit“, měli bychom přístup k alternativnímu zdroji energie nepoměrně překonávajícího všechny možnosti dosavadních zdrojů.

Pokud odhlédneme od přímých aplikací, které jsou jistě velmi futuristické, publikované práce přispívají i k detailnějšímu poznání procesů v těsné blízkosti SMBH a ukazují, že tyto objekty nemusejí být až tak energeticky uzavřenými systémy, za jaké byly doposud obecně považovány.

Kontakty A DALŠÍ INFORMACE

Astrofyzikální proGResy z Opavy jsou komunikační platformou evropských projektů řešených na Fyzikálním ústavu Slezské univerzity v Opavě. Je zaměřená na komunikaci výsledků práce opavských astrofyziků a teoretických fyziků, zejména v oblasti teorie relativity a gravitace (velká písmena GR ve slově proGResy). Název je volně inspirován také workshopy RAGTime, které probíhají na Fyzikálním ústavu v Opavě déle než 20 let. Více informací na progresy.physics.cz.

Bc. Petr Horálek
PR výstupů evropských projektů FÚ SU v Opavě
Email: petr.horalek@slu.cz
Telefon: +420 732 826 853

RNDr. Martin Kološ, Ph.D.
Odborný asistent na Fyzikálním ústavu SU v Opavě
Email: martin.kolos@physics.slu.cz
Telefon: +420 553 684 395

RNDr. Arman Tursunov, Ph.D.
Odborný asistent na Fyzikálním ústavu SU v Opavě
Email: arman.tursunov@physics.slu.cz
Telefon: +420 553 684 286

prof. RNDr. Zdeněk Stuchlík, CSc.
Ředitel Fyzikálního ústavu SU v Opavě
Email: zdenek.stuchlik@physics.slu.cz

Mgr. Debora Lančová
Fyzikální ústav SU v Opavě
Email: debora.lancova@physics.slu.cz
Telefon: +420 776 072 756

doc. RNDr. Gabriel Török, Ph.D.
Garant evropského projektu HR Award
Email: gabriel.torok@physics.cz
Telefon: +420 737 928 755