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比核聚变更诱人的能量获取方式——来自深空宇宙

黑洞视界这是一个奇怪而又充满力量的地方。任何进入这个区域的人或物都不可能是静止的。相反,它们会被黑洞快速的旋转所牵引,这是一种很有前途的动能形式,我们可以从中提取并加以利用。需要注意的是,黑洞能量并不是无穷无尽的,因为在某一时刻黑洞会停止旋转并蒸发掉。但对我们这些寿命只有几十年的人来说,这就是一种无穷无尽的能量。

星系NGC 1365的中心有一个超大质量黑洞。它以令人费解的速度旋转(84%的光速)和扭曲时空结构。黑洞以接近光速的速度旋转,这听起来可能很惊人,但并不罕见。它们诞生于宇宙中的巨行星,相比之下,我们的太阳就显得非常袖珍。这些巨星可能一开始旋转得并没有那么快,但在坍缩之后,它们遵循角动量守恒定律。它们的质量下降,自旋率急剧上升。

旋转的黑洞是能量的金矿。20世纪60年代,数学物理学家罗杰·彭罗斯提出,我们可以用一种有争议的方法来获取这种能量。

在彭罗斯过程中,一个粒子进入大气层并分裂成两部分。因为动量和能量是守恒的,其中一个有负能量,另一个有正能量。一半的负能量将继续进入黑洞,而另一半的正能量将重新出现,其能量不仅与开始时物质的能量一样多,而且还会更多。当它从宇宙层逃逸时,正能量将会从黑洞偷取能量。这就减少了黑洞的角动量,也就意味着正能量增加了。从黑洞中获得的质量和动量被给予了这个正在运动的粒子。所以我们把物质注入黑洞,最终得到的比我们投资的要多得多。

这是一个听起来很不错的理论,但物理学家们仔细研究后发现它的效率很低。彭罗斯过程的大多数方法都能给我们带来20%多一点的能量增益。科学家提出了另一种方法,称为碰撞彭罗斯过程。在这种情况下,一个粒子不会分裂成两半。相反,电子层是碰撞的场所——两个粒子在世界的尖端碰撞。最近关于彭罗斯碰撞过程的研究估计,我们从黑洞中提取的能量比我们最初放入黑洞的能量多14倍。该研究使用一个带电黑洞作为碰撞的前提。但目前还不清楚这样一个带电黑洞是否可能存在于宇宙中。

彭罗斯过程并不是我们唯一的希望。黑洞惊人的旋转速度产生了强大的磁场。在这里,我们找到了第二种提取能量的方法:布兰德福德-兹纳耶克机制。

  • 黑洞吸积盘的可视化

这个过程包括破坏和消耗。一个物体,如恒星,接近黑洞。当它被吞噬和撕裂时,一些被撕裂的恒星碎片进入黑洞周围的轨道,增加了它的吸积盘,在那里物质和气体被引力捕获。当吸积盘中的物质相互接触时,摩擦将产生上升的温度。一旦这些温度足够高,这些碎片就会变成全新的东西。曾经只是尘土飞扬、凹凸不平的物质进入等离子态。当等离子体物质在事件视界接近其终点时,它会变得越来越磁化,并能够通过赋予粒子能量来加速它。这是对黑洞不断增长的磁场的利用。然后我们可以把加速粒子转换成可用的能量。

就像彭罗斯过程,它不会给我们无限的供应,因为它仍然影响着黑洞的旋转,但能量潜力是巨大的。拥有足够大的磁场的超大质量黑洞在一秒钟内产生的能量可能比地球一整年的能量还多。

在彭罗斯和布兰福德-兹纳杰克过程中,我们都遇到了同样的问题:我们首先必须发展技术,让我们到达黑洞,并让我们获得能量。任何伟大的设想都需要我们付出巨大的努力。但即使在我们的未来梦想之外,这两个过程也很重要。

  • 美国国家航空航天局(NASA)拍摄的大力神a星系中心的超大质量黑洞喷发出的喷流。

研究人员继续研究它们,直到今天,它们可能是强大的宇宙事件,如伽马射线爆发和等离子喷射的重要驱动因素。这些光束以接近光速的速度移动——引人注目且活跃。CGCG 049-033星系中的喷流向宇宙延伸了150万光年。银河系的直径约为200万光年,这意味着这些喷射流的大小相当于一个星系的大小。

到目前为止,我们仍然被困在我们的太阳系中。我们希望模拟聚变过程,为我们的星球创造更清洁、更好的能源。今天人们关注的焦点不再是那些已经死亡和坍塌的恒星,而是那些还活着的恒星。但情况并不总是如此。在遥远的未来,当这些恒星死亡,我们发现自己身处一个更黑暗、更稀疏的宇宙时,我们将开始考虑超越我们现在所能考虑的新能源。我们会明白核聚变发电不是我们面临的最大的挑战。

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