比核聚變更誘人的能量獲取方式——來自深空宇宙

比核聚變更誘人的能量獲取方式——來自深空宇宙

黑洞視界這是一個奇怪而又充滿力量的地方。任何進入這個區域的人或物都不可能是靜止的。相反,它們會被黑洞快速的旋轉所牽引,這是一種很有前途的動能形式,我們可以從中提取並加以利用。需要注意的是,黑洞能量並不是無窮無盡的,因為在某一時刻黑洞會停止旋轉並蒸發掉。但對我們這些壽命只有幾十年的人來說,這就是一種無窮無盡的能量。

星系NGC 1365的中心有一個超大質量黑洞。它以令人費解的速度旋轉(84%的光速)和扭曲時空結構。黑洞以接近光速的速度旋轉,這聽起來可能很驚人,但並不罕見。它們誕生於宇宙中的巨行星,相比之下,我們的太陽就顯得非常袖珍。這些巨星可能一開始旋轉得並沒有那麼快,但在坍縮之後,它們遵循角動量守恆定律。它們的質量下降,自旋率急劇上升。

旋轉的黑洞是能量的金礦。20世紀60年代,數學物理學家羅傑·彭羅斯提出,我們可以用一種有爭議的方法來獲取這種能量。

比核聚變更誘人的能量獲取方式——來自深空宇宙

在彭羅斯過程中,一個粒子進入大氣層並分裂成兩部分。因為動量和能量是守恆的,其中一個有負能量,另一個有正能量。一半的負能量將繼續進入黑洞,而另一半的正能量將重新出現,其能量不僅與開始時物質的能量一樣多,而且還會更多。當它從宇宙層逃逸時,正能量將會從黑洞偷取能量。這就減少了黑洞的角動量,也就意味著正能量增加了。從黑洞中獲得的質量和動量被給予了這個正在運動的粒子。所以我們把物質注入黑洞,最終得到的比我們投資的要多得多。

這是一個聽起來很不錯的理論,但物理學家們仔細研究後發現它的效率很低。彭羅斯過程的大多數方法都能給我們帶來20%多一點的能量增益。科學家提出了另一種方法,稱為碰撞彭羅斯過程。在這種情況下,一個粒子不會分裂成兩半。相反,電子層是碰撞的場所——兩個粒子在世界的尖端碰撞。最近關於彭羅斯碰撞過程的研究估計,我們從黑洞中提取的能量比我們最初放入黑洞的能量多14倍。該研究使用一個帶電黑洞作為碰撞的前提。但目前還不清楚這樣一個帶電黑洞是否可能存在於宇宙中。

彭羅斯過程並不是我們唯一的希望。黑洞驚人的旋轉速度產生了強大的磁場。在這裡,我們找到了第二種提取能量的方法:布蘭德福德-茲納耶克機制。

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  • 黑洞吸積盤的可視化

這個過程包括破壞和消耗。一個物體,如恆星,接近黑洞。當它被吞噬和撕裂時,一些被撕裂的恆星碎片進入黑洞周圍的軌道,增加了它的吸積盤,在那裡物質和氣體被引力捕獲。當吸積盤中的物質相互接觸時,摩擦將產生上升的溫度。一旦這些溫度足夠高,這些碎片就會變成全新的東西。曾經只是塵土飛揚、凹凸不平的物質進入等離子態。當等離子體物質在事件視界接近其終點時,它會變得越來越磁化,並能夠通過賦予粒子能量來加速它。這是對黑洞不斷增長的磁場的利用。然後我們可以把加速粒子轉換成可用的能量。

就像彭羅斯過程,它不會給我們無限的供應,因為它仍然影響著黑洞的旋轉,但能量潛力是巨大的。擁有足夠大的磁場的超大質量黑洞在一秒鐘內產生的能量可能比地球一整年的能量還多。

在彭羅斯和布蘭福德-茲納傑克過程中,我們都遇到了同樣的問題:我們首先必須發展技術,讓我們到達黑洞,並讓我們獲得能量。任何偉大的設想都需要我們付出巨大的努力。但即使在我們的未來夢想之外,這兩個過程也很重要。

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  • 美國國家航空航天局(NASA)拍攝的大力神a星系中心的超大質量黑洞噴發出的噴流。

研究人員繼續研究它們,直到今天,它們可能是強大的宇宙事件,如伽馬射線爆發和等離子噴射的重要驅動因素。這些光束以接近光速的速度移動——引人注目且活躍。CGCG 049-033星系中的噴流向宇宙延伸了150萬光年。銀河系的直徑約為200萬光年,這意味著這些噴射流的大小相當於一個星系的大小。

到目前為止,我們仍然被困在我們的太陽系中。我們希望模擬聚變過程,為我們的星球創造更清潔、更好的能源。今天人們關注的焦點不再是那些已經死亡和坍塌的恆星,而是那些還活著的恆星。但情況並不總是如此。在遙遠的未來,當這些恆星死亡,我們發現自己身處一個更黑暗、更稀疏的宇宙時,我們將開始考慮超越我們現在所能考慮的新能源。我們會明白核聚變發電不是我們面臨的最大的挑戰。

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