پژوهشگران با شبیهسازی سازوکار استخراج انرژی از سیاهچاله در آزمایشگاه، برای نخستین بار ایده مشهور راجر پنروز را بهصورت تجربی تأیید کردند.
پژوهشگران دانشگاه شهری نیویورک (CUNY) به رهبری حدیثه ناساری دانشمند ایرانی برای اولین بار موفق شدند سازوکاری را که بیش از نیم قرن پیش «سر راجر پنروز»، فیزیکدان برجسته بریتانیایی، برای استخراج انرژی از سیاهچالههای چرخان مطرح کرده بود، در محیط آزمایشگاهی شبیهسازی و بهصورت تجربی بررسی کنند.
ایده استخراج انرژی از سیاهچاله نخستین بار در سال ۱۹۶۹ توسط راجر پنروز مطرح شد. او در محاسبات خود نشان داد اگر یک سیاهچاله بدون بار الکتریکی با سرعت زیادی به دور خود بچرخد، میتوان بخشی از انرژی چرخشی آن را استخراج کرد. این فرایند که بعدها «سازوکار پنروز» نام گرفت، سالها یکی از جذابترین نظریههای فیزیک نظری محسوب میشد، اما نبود امکان آزمایش مستقیم آن باعث شده بود این ایده تنها در قالب مدلهای ریاضی باقی بماند.
پژوهشگران اکنون راهی برای بررسی عملی این نظریه پیدا کردهاند. آنها به جای استفاده از یک جرم آسمانی واقعی، سیستمی مبتنی بر امواج رادیویی طراحی کردند که میتواند رفتار فضا-زمان در اطراف یک سیاهچاله چرخان را شبیهسازی کند. این روش به دانشمندان اجازه داد شرایطی مشابه محیط اطراف سیاهچاله را در آزمایشگاه ایجاد کنند و اثرات پیشبینیشده توسط پنروز را مورد بررسی قرار دهند.
حدیثه ناساری، نویسنده اصلی این پژوهش و فیزیکدان دانشگاه شهری نیویورک، گفت این آزمایش نشان میدهد مفاهیمی که پیشتر تنها در قلمرو نظریه قرار داشتند، اکنون قابلیت بررسی عملی پیدا کردهاند. به گفته او، این سامانه آزمایشگاهی بستری انعطافپذیر برای مطالعه پدیدههای پیچیده در مرز میان اخترفیزیک، فیزیک امواج و علوم کوانتومی فراهم میکند.
اساس این نظریه به ناحیهای در اطراف سیاهچالههای چرخان به نام «ارگوسفر» مربوط میشود. این ناحیه بیرون از افق رویداد قرار دارد؛ یعنی جایی که هنوز امکان فرار از میدان گرانشی سیاهچاله وجود دارد. با این حال، چرخش شدید سیاهچاله باعث میشود فضا-زمان در این منطقه همراه با آن به حرکت درآید. این پدیده که در فیزیک با عنوان «کشش چارچوب» شناخته میشود، موجب میشود هر ذره یا موجی که وارد ارگوسفر شود، بخشی از انرژی چرخشی سیاهچاله را دریافت کند.
شبیهسازی موفق استخراج انرژی از سیاهچاله توسط دانشمند ایرانی پنروز در نظریه خود پیشنهاد کرده بود اگر جسمی وارد ارگوسفر شود و سپس از آن خارج شود، میتواند انرژی بیشتری نسبت به هنگام ورود داشته باشد. در حقیقت، بخشی از انرژی چرخشی سیاهچاله به آن منتقل میشود. این ایده بعدها الهامبخش پژوهشهای فراوانی شد و فیزیکدانان تلاش کردند راههای مختلفی برای اثبات آن پیدا کنند.
چند سال پس از ارائه این نظریه، یاکوف زلدوویچ، فیزیکدان شوروی، پیشنهاد کرد که حتی بدون استفاده از ذرات یا فضاپیما نیز میتوان این اثر را مشاهده کرد. او نشان داد اگر موجی با ویژگیهای مناسب به جسمی با سرعت چرخش بسیار بالا برخورد کند، میتواند انرژی چرخشی آن را جذب و با دامنه بیشتری بازتاب کند. این پدیده بعدها با نام «فرایند پنروز–زلدوویچ» شناخته شد.
برای بازسازی این اثر، پژوهشگران از امواج رادیویی مدولهشده استفاده کردند. تغییر سریع فرکانس این امواج، حالتی مشابه چرخش فضا-زمان در اطراف سیاهچاله ایجاد کرد. این روش امکان دستیابی به نرخ چرخشی را فراهم کرد که ایجاد آن با سامانههای مکانیکی عملاً غیرممکن است.
تیم تحقیقاتی برای تحلیل رفتار این سامانه از «نظریه فلوکه» بهره گرفت. این نظریه رفتار سامانههایی را توصیف میکند که ویژگیهای آنها بهصورت دورهای تغییر میکند. نمونه ساده آن، تاببازی کودکی است که اگر در زمان مناسب هل داده شود، انرژی بیشتری دریافت میکند. در آزمایش جدید نیز تغییرات متناوب فرکانس امواج رادیویی باعث شد انرژی بهتدریج به موج منتقل شود و شدت آن افزایش پیدا کند.
هادی موسی، دانشجوی دکتری دانشگاه شهری نیویورک و از نویسندگان اصلی پژوهش، گفت امواجی که ویژگیهای چرخشی مناسب داشتند، توانستند انرژی را از سامانه استخراج کنند و تقویت شوند. به گفته او، نتایج آزمایش با پیشبینیهای نظری فرایند پنروز–زلدوویچ مطابقت کامل داشت و مهمترین ویژگیهای این سازوکار را بازسازی کرد.
بیشتر بخوانید: کشف «غول خفته» سیاهچاله ای ۶ میلیارد برابر خورشید
این پژوهش به معنای ساخت یک منبع انرژی مبتنی بر سیاهچاله یا تولید برق از این اجرام کیهانی نیست، اما اهمیت علمی آن بسیار فراتر از این موضوع است. دانشمندان اکنون ابزاری در اختیار دارند که میتواند بسیاری از نظریههای مرتبط با سیاهچالهها، امواج گرانشی، برهمکنشهای کوانتومی و رفتار فضا-زمان را در محیطی کنترلشده بررسی کند. چنین سامانهای میتواند به توسعه مدلهای دقیقتر درباره رفتار اجرام فوقچگال کیهانی و همچنین طراحی آزمایشهای پیشرفته در حوزه فیزیک بنیادی کمک کند.
پژوهشگران معتقدند این دستاورد نشان میدهد حتی پدیدههایی که زمانی تنها در قلب سیاهچالههای دوردست قابل تصور بودند، اکنون میتوانند روی میز آزمایشگاه مطالعه شوند و مسیر تازهای برای کشف اسرار جهان در اختیار دانشمندان قرار دهند.
