Як людство могло б живити космічні кораблі, створивши штучні чорні діри
Якщо одного дня ми захочемо дослідити галактику (не кажучи вже про решту Всесвіту), перед людством постане питання швидкості. Наприкінці 2023 року сонячний зонд NASA Parker досяг найвищої швидкості, коли-небудь досягнутої об’єктом, створеним людиною, – 635 266 кілометрів (394 736 миль) на годину.
Хоча це і вражає, але це лише 0,059 відсотка від швидкості світла. Відвідування нашої найближчої сусідки Проксими Центавра, що знаходиться на відстані 4,2 світлових років від нас, на таких швидкостях зайняло б близько 7700 років, що робить необхідними кораблі цілих поколінь (або роботизовані зонди), щоб дослідити її або будь-яку іншу цікаву зірку, розташовану далі.
Таким великим кораблям знадобиться багато пального, щоб наблизитися до швидкостей, необхідних для досягнення зірок. Фізики запропонували різні способи зробити це, використовуючи сучасну фізику, а також більш умоглядні способи, такі як варп-двигуни, з метою розігнати космічний корабель корисного розміру до цих швидкостей, не витрачаючи при цьому величезної кількості палива.
Одна з таких ідей полягає в тому, щоб створити штучну чорну діру, а потім живити космічний корабель за допомогою випромінювання Гокінга, випромінюваного з горизонту подій.
“Чорна діра зоряної маси утворюється, коли зірка з масою понад 20 мас Сонця вичерпує ядерне паливо у своєму ядрі і колапсує під власною вагою”, – пояснює НАСА. “Колапс викликає вибух наднової, який здуває зовнішні шари зірки. Але якщо розчавлене ядро містить більше, ніж приблизно втричі більше маси Сонця, жодна відома сила не може зупинити його колапс до чорної діри”.
Чорна діра такого розміру – або надмасивна чорна діра – була б занадто великою, щоб корисно живити космічний корабель, якому довелося б тягнути чорну діру за собою, що вимагало б від нього такої самої маси. Крім того, менші чорні діри випромінюють вищу температуру та енергію, що робить їх більш корисними для живлення космічних кораблів.
Тож як нам отримати меншу чорну діру? Багато фізиків вважають, що первісні чорні діри могли утворитися в перші секунди існування Всесвіту, коли все, що згодом створило зірки та галактики, було більш щільно упаковане разом.
“У той момент кишені гарячого матеріалу могли бути достатньо щільними, щоб сформувати чорні діри, потенційно з масою від 100 000 разів меншою за скріпку до 100 000 разів більшою за масу Сонця”, – пояснює NASA. “Потім, коли Всесвіт швидко розширювався і охолоджувався, умови для утворення чорних дір таким чином закінчилися”.
Ми ніколи не виявляли таких чорних дір, і досі незрозуміло, чи існують вони взагалі, або принаймні в тій кількості і розмірах, при яких ми могли б їх виявити. Отже, якщо ми хочемо, щоб чорна діра живила космічний корабель, нам, можливо, доведеться створити штучну чорну діру.
В одній статті 2009 року, присвяченій дослідженню можливості створення зорельотів на енергії чорних дір, фізики зазначили, що вони мають бути достатньо потужними, щоб розігнатися до швидкості, яка наближається до швидкості світла, за розумний проміжок часу, достатньо малими, щоб ми могли отримати достатньо енергії для їх створення, і достатньо великими, щоб ми могли сфокусувати енергію, необхідну для цього. Виконуючи математичні розрахунки, вони виявили, що таку чорну діру цілком можливо створити, причому досить швидко.
“Ми виявили, що чорна діра з радіусом у кілька атомів принаймні приблизно відповідає переліку критеріїв, – пише команда у своїй статті. “Такі ЧД мали б масу порядку 1 000 000 тонн, а час життя – від десятиліть до століть. Високоефективна квадратна сонячна панель розміром кілька сотень кілометрів з кожного боку на круговій орбіті навколо Сонця на відстані 1 000 000 км поглинала б за рік достатньо енергії, щоб створити один такий ЧД”.
Ідея, відома як кугельбліц, полягає в тому, що зосередження достатньої кількості енергії в одній крихітній точці створить чорну діру (з еквівалентними масою та енергією).
Команда вважає, що така чорна діра може розігнатися до релятивістських швидкостей за лічені десятиліття.
Хоча зібрати необхідну енергію (не кажучи вже про її фокусування в точці, необхідній для створення чорної діри) було б пекельно складною місією, створити з неї двигун ще складніше з логістичної точки зору. Команда пропонує використовувати чорну діру як електростанцію, оточивши її колекторами, які акумулюють щільну енергію, що випромінюється з горизонту. Крім того, космічний корабель міг би створювати тягу, спрямовуючи гамма-промені.
“Ми могли б додати товстий шар матерії, який би поглинав гамма-промені, переопромінював їх в оптичних частотах і фокусував отримані світлові промені”, – пише авторський колектив. “Поглинач, який зупиняє лише гамма-промені, що прямують до передньої частини корабля, і дозволяє решті виходити через задню частину, змушує гамма-промені випромінюватися з корабля асиметрично. Таким чином, навіть гамма-промені, що не поглинаються, створюють певну тягу”.
Хоча це класна ідея (і, можливо, можлива), нещодавні статті припускають, що вона може бути неможливою через квантові ефекти.
Хоча це може бути можливим за допомогою первинних чорних дір, але для цього їх потрібно спочатку знайти. Якщо вони існують, це може бути можливо за допомогою майбутнього римського телескопа Ненсі Грейс. Але не затамуйте подих, якщо ви знайдете таку чорну діру потрібного розміру і досить близько, щоб її можна було використати для живлення дивовижних зорельотів до чорних дір.
