Fizicienii au reușit să reproducă în laborator un mecanism teoretic prin care se poate extrage energie de la un obiect în rotație, cunoscut sub numele de efectul Zel’dovici.
Această demonstrație experimentală confirmă o predicție formulată acum cincizeci de ani și imită procesul prin care energia ar putea fi extrasă de la o gaură neagră în rotație.
Conceptul își are rădăcinile în lucrările lui Roger Penrose, care în 1969 a propus o metodă teoretică de a extrage energia de rotație a unei găuri negre de tip Kerr.
Procesul Penrose presupunea aruncarea unui obiect în ergosfera găurii negre, regiunea situată imediat în afara orizontului evenimentelor, divizarea acestuia și recuperarea unei părți cu o energie mai mare decât cea inițială.
Gaura neagră, absorbind fragmentul cu energie negativă, ar pierde astfel din masa-energie.
Câțiva ani mai târziu, fizicianul Iakov Zel’dovici a conceput un analog mai accesibil al acestui proces, înlocuind gaura neagră cu un obiect obișnuit în rotație și fragmentul cu o undă electromagnetică sau sonoră.
Conform teoriei sale, atunci când o undă purtătoare de moment unghiular lovește o suprafață aflată în rotație suficient de rapidă, aceasta poate fi reflectată cu o amplitudine mărită, preluând o parte din energia de rotație a obiectului.
Acest fenomen de superradiență, cunoscut ca efectul Zel’dovici, a rămas până recent doar la nivel teoretic.
Prima verificare experimentală a efectului Zel’dovici a fost realizată folosind unde sonore, unde s-a observat că undele „răsucite” reflectate de un disc în rotație rapidă au câștigat energie în concordanță cu predicțiile.
Provocarea majoră a constat însă în reproducerea acestui efect cu unde electromagnetice, care sunt mai apropiate de natura luminii ce interacționează cu găurile negre. Pentru aceasta, cercetătorii au utilizat un cilindru de aluminiu pus în rotație mecanică.
Trimițând un pachet de unde electromagnetice purtătoare de moment unghiular către acest cilindru, s-au verificat doi parametri esențiali.
Primul a fost asigurarea unei viteze de rotație suficient de mari pentru a induce un decalaj Doppler rotațional, astfel încât frecvența percepută a undelor să devină negativă din perspectiva suprafeței cilindrului.
Al doilea element a fost un circuit rezonant cuplat la cilindru, funcționând ca o cutie de rezonanță pentru a capta și amplifica undele.
Când frecvența undelor, observată de pe suprafața în rotație, a depășit un prag critic, absorbția a devenit negativă, indicând faptul că unda reflectată era mai energetică decât cea incidentă, demonstrând transferul parțial al energiei de rotație a cilindrului către undă.
Aceasta constituie prima demonstrație experimentală a efectului Zel’dovici pentru undele electromagnetice. Pe baza acestui succes, echipa de cercetători a continuat prin a construi un analog al conceptului de „bombă de gaură neagră”, imaginat de William Press și Saul Teukolsky.
Acesta este un dispozitiv în care unda amplificată este returnată către cilindru pentru a fi amplificată din nou, și așa mai departe, conducând la o instabilitate explozivă.
Prin asocierea cilindrului rotativ cu un rezonator cu pierderi scăzute, undele generate spontan de zgomotul ambiental au suferit o amplificare exponențială. Sistemul a devenit inițial un generator, iar ulterior a produs o emisie intensă de unde electromagnetice.
Deși acest dispozitiv nu extrage energie de la o gaură neagră reală, el ilustrează modul în care rotația poate alimenta și amplifica constant un semnal. Importanța acestei demonstrații experimentale este considerabilă.
Efectul Zel’dovici, considerat mult timp o curiozitate teoretică, intră acum în categoria fenomenelor fizice demonstrate.
Aceasta nu doar că validează o predicție veche, dar consolidează și înțelegerea superradienței, un proces fundamental prin care energia poate fi extrasă dintr-un sistem în rotație. Dacă efectul Zel’dovici este activ în univers, ar putea modifica înțelegerea actuală asupra găurilor negre.
Amplificarea undelor gravitaționale sau electromagnetice în apropierea ergosferei acestora, sub influența acestui fenomen, ar putea juca un rol important în dinamica energetică a acestor obiecte cosmice extreme și ar putea deschide noi metode de observație pentru astrofizicieni, permițând detectarea indirectă a unor proprietăți ale găurilor negre, inaccesibile până acum.
Dincolo de implicațiile cosmologice, înțelegerea și controlul superradienței ar putea aduce beneficii practice, precum proiectarea unor noi surse de unde electromagnetice sau acustice, sau dezvoltarea unor sisteme capabile să recicleze energia mecanică altfel pierdută, cu potențiale aplicații în comunicații ultrasensibile, radare de înaltă precizie sau tehnologii avansate de detecție.
Cercetătorii rămân prudenți, subliniind că transpunerea acestor rezultate de laborator în observații astrofizice concrete este complexă.
Găurile negre nu sunt direct accesibile pentru studiu, iar undele pe care le-ar putea amplifica în spațiu sunt dificil de distins printre numeroasele alte surse cosmice. Totuși, acest progres deschide perspective promițătoare.
El încurajează dezvoltarea unor simulări numerice din ce în ce mai precise, capabile să modeleze interacțiunea dintre unde și obiecte în rotație extremă, precum găurile negre.
Aceste modele ar putea ghida astrofizicienii în căutarea unor semnale specifice de superradiență în jurul găurilor negre supermasive. În plus, experimentul inspiră continuarea cercetărilor aplicate.
Explorând diferite materiale și configurații, s-ar putea optimiza amplificarea undelor pentru a proiecta noi dispozitive, cu potențial de inovație în domenii tehnologice avansate.
