Astronomie

Les trous noirs peuvent-ils être utilisés comme source d'énergie

Les trous noirs peuvent-ils être utilisés comme source d'énergie

J'ai entendu dire que le trou noir tournera continuellement, ce qui stocke une énorme quantité d'énergie dans sa rotation. Cette énergie sera-t-elle accessible, puisque la rotation est imposée sur l'espace à l'extérieur du trou.


Ce à quoi vous pensez s'appelle le processus de Penrose - un moyen d'extraire l'énergie de rotation d'un trou noir.

L'idée de base est que vous permettez à un corps composite de tomber vers un trou noir en rotation. Une fois qu'il atteint l'ergosphère - cette région, en dehors de l'horizon des événements, où le "traînement du cadre" dû à la rotation de l'espace-temps est si sévère qu'aucun corps ne peut rester stationnaire du point de vue d'un observateur distant - le corps devrait se diviser. Une moitié tombe dans le trou noir et l'autre orbite et s'envole à nouveau. Si les choses sont arrangées correctement, la partie retour du corps peut avoir une énergie cinétique qui dépasse l'énergie de masse au repos de la moitié qui est tombée dans le trou noir. L'énergie vient au détriment du ralentissement de la rotation du trou noir.

Le processus Penrose (tiré de Brito et al. 2015)

Si le trou noir en rotation a un disque d'accrétion (comme beaucoup le font s'ils sont dans des systèmes binaires - c'est ainsi qu'ils sont identifiés), alors une autre méthode est le processus de Blandford-Znajek. C'est peut-être la façon dont les quasars et de nombreux phénomènes énergétiques dans les sursauts gamma et les systèmes binaires de trous noirs sont alimentés. En termes simples, un champ magnétique qui enfile le disque d'accrétion peut être tordu par l'ergosphère. Le matériau peut ensuite être propulsé en jets le long de l'axe de rotation, mais reçoit un spin par les lignes de champ, qui extrait le moment angulaire (et l'énergie de rotation) du trou noir. Cette énergie peut ensuite être libérée lorsque ces jets se heurtent à d'autres choses.


Non.

Bien qu'un trou noir en rotation stocke une grande quantité d'énergie dans sa rotation, et qu'il existe même un moyen de convertir cette énergie en une forme pouvant effectuer un travail utile (le processus de Penrose), cela n'a aucune utilité pratique dans la production d'énergie. .

Le trou noir connu le plus proche est à plus de 1000 années-lumière, et bien qu'il existe probablement des trous noirs inactifs calmes qui sont plus proches, ils sont encore beaucoup trop éloignés pour être utiles dans la production d'énergie.

Si un trou noir de masse stellaire s'approchait suffisamment du système solaire pour qu'il soit une source potentielle d'énergie, sa masse gravitationnelle commencerait à perturber le système solaire (comme il aurait une masse supérieure à celle du soleil, les planètes auraient tendance à se déplacer en orbite autour du trou noir, pas du soleil.)

C'est donc comme suggérer que le noyau de la Terre pourrait être une source de fer. Ce n'est pas pratique car c'est trop loin et si c'était plus près, ce serait trop dangereux.


"La physique extrêmement étrange des trous noirs pourrait leur permettre d'être utilisés pour créer de l'énergie, selon les scientifiques

Les trous noirs pourraient être exploités pour l'énergie, ont déclaré des scientifiques.

Cette affirmation intervient après que des chercheurs ont produit une expérience qui, selon eux, a vérifié une théorie vieille de plusieurs décennies selon laquelle de tels trous noirs pourraient créer de l'énergie en raison d'une "physique extrêmement étrange".

Des scientifiques de la School of Physics and Astronomy de l'Université de Glasgow ont entrepris de valider les travaux de Roger Penrose en 1969.

Ils ont utilisé des ondes sonores pour tenter d'approuver la "physique extrêmement étrange un demi-siècle après que la théorie a été proposée pour la première fois".

Le physicien britannique, M. Penrose, a émis l'hypothèse que l'énergie pouvait être créée en laissant tomber des objets tels qu'une fusée dans un trou noir et en divisant l'objet en deux.

En récupérant une moitié, l'action de recul gagnerait alors de l'énergie en raison de la rotation du trou noir, a-t-il déclaré.

Conseillé

Il a théorisé que l'énergie pourrait être stockée et utilisée pour alimenter des mondes entiers, mais M. Penrose a déclaré que le défi technique posé par l'expérience ne pouvait être réalisé que par une civilisation avancée, peut-être extraterrestre.

En 1971, le physicien Yakov Zeldovich a suggéré que la théorie pourrait être testée avec des ondes lumineuses torsadées projetées sur une surface en rotation.

Pour tester cela, la surface de rotation aurait besoin de tourner au moins un milliard de fois par seconde - un exploit toujours impossible en raison des limitations de l'ingénierie.

Maintenant, les chercheurs de Glasgow ont enfin trouvé un moyen de démontrer expérimentalement l'effet en utilisant des ondes sonores, qui nécessitent une surface de rotation beaucoup plus lente.

À l'aide d'un anneau de haut-parleurs, les chercheurs ont envoyé une onde sonore rotative vers un disque de mousse en rotation.

Deux microphones étaient attachés à l'arrière du disque, qui ont constaté que lorsque les ondes sonores traversaient le disque, la hauteur était amplifiée jusqu'à 30%, connue sous le nom d'effet Doppler rotationnel.

Marion Cromb, l'auteur principal de l'article, a déclaré : « La version linéaire de l'effet Doppler est familière à la plupart des gens.

"Le phénomène se produit lorsque le ton d'une sirène d'ambulance semble augmenter à mesure qu'elle s'approche de l'auditeur, mais diminue lorsqu'elle s'éloigne.

"Il semble augmenter parce que les ondes sonores atteignent l'auditeur plus fréquemment à mesure que l'ambulance s'approche, puis moins fréquemment à mesure qu'elle passe."

Ils ont ajouté : « L'effet Doppler rotationnel est similaire mais l'effet est confiné à un espace circulaire.

"Les ondes sonores tordues changent de hauteur lorsqu'elles sont mesurées du point de vue de la surface en rotation.

"Si la surface tourne assez vite, la fréquence du son peut faire quelque chose de très étrange - elle peut passer d'une fréquence positive à une fréquence négative et, ce faisant, voler de l'énergie à la rotation de la surface."

Au cours de l'expérience, les chercheurs ont découvert que lorsque la hauteur de l'onde sonore frappe le disque en rotation, elle chute jusqu'à devenir trop faible pour être entendue.

Ensuite, lors du passage, il a été amplifié jusqu'à 30% de plus que le pas d'origine.

Le professeur Daniele Faccio, co-auteur de l'article, a déclaré : « Nous sommes ravis d'avoir pu vérifier expérimentalement une physique extrêmement étrange un demi-siècle après que la théorie a été proposée pour la première fois.

"Il est étrange de penser que nous avons pu confirmer une théorie vieille d'un demi-siècle d'origine cosmique ici dans notre laboratoire de l'ouest de l'Écosse, mais nous pensons que cela ouvrira de nombreuses nouvelles voies d'exploration scientifique.

"Nous pensons que cela ouvrira de nombreuses nouvelles voies d'exploration scientifique. Nous sommes impatients de voir comment nous pouvons étudier l'effet sur différentes sources telles que les ondes électromagnétiques dans un proche avenir."

Rapports supplémentaires par les agences


Les civilisations avancées pourraient exploiter les trous noirs comme source d'énergie

Des scientifiques de l'Université de Glasgow ont confirmé une théorie vieille d'un demi-siècle selon laquelle une civilisation extraterrestre ultra-avancée pourrait utiliser un trou noir comme source d'énergie. En utilisant des ondes sonores, les chercheurs ont pu mener une expérience sur le phénomène qui était auparavant considéré comme dépassant le cadre de l'ingénierie humaine à tester.

L'idée d'exploiter un trou noir comme source d'énergie peut sembler sortir des années 1970 Docteur Who épisode, mais il est en fait basé sur une physique solide. En 1969, le physicien britannique Roger Penrose explorait les propriétés des trous noirs encore théoriques et a découvert qu'ils avaient une application pratique - si vous étiez membre d'une race d'êtres extraterrestres super avancés.

Penrose a théorisé que si vous preniez un objet et l'abaissiez dans la région extérieure de l'horizon des événements d'un trou noir, il devrait se déplacer à la vitesse de la lumière juste pour rester immobile. Lorsqu'il est abaissé, il acquiert de l'énergie négative. C'est-à-dire qu'il est soumis à des conditions spatio-temporelles très particulières où, pour le dire très simplement, il est possible « d'emprunter » de l'énergie à l'espace vide.

L'astuce, selon Penrose, est que si l'objet est ensuite divisé en deux, une moitié tombant dans le trou noir et l'autre récupérée, le recul entraînerait une perte d'une partie de cette énergie négative et la moitié récupérée gagnerait l'énergie de la rotation du trou noir. Inutile de dire que fouiller dans les trous noirs impliquerait une ingénierie à une échelle fantastique, de sorte que seule une civilisation très avancée aurait une chance de réaliser un tel projet.

L'expérience audio de l'Université de Glasgow

La mouche dans l'onguent est venue en 1971, lorsque le physicien soviétique Yakov Zel'dovich a proposé une expérience impliquant une lumière tordue pour prouver le concept de Penrose.

La lumière tordue se produit lorsqu'un faisceau de lumière se tord autour de son front d'onde au point qu'il prend une forme hélicoïdale ou « tordue » autour de son noyau vide. Zel'dovich a déclaré que si un faisceau lumineux tordu était dirigé vers un cylindre métallique tournant à la bonne vitesse, le faisceau réfléchi capterait l'énergie tirée de la rotation du cylindre en raison d'une bizarrerie dans l'effet Doppler rotationnel. Ce qui est ennuyeux, c'est qu'il faudrait que le cylindre tourne plus d'un milliard de fois par seconde, ce qui nous ramène en territoire d'ingénierie extraterrestre.

C'est là que les choses en étaient pendant près de 50 ans, jusqu'à ce qu'une équipe de scientifiques de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Glasgow dirigée par Marion Cromb fasse un peu de réflexion latérale. Au lieu d'utiliser une lumière tordue, ont-ils expliqué, pourquoi ne pas utiliser un son tordu, qui fonctionne à une fréquence beaucoup plus basse et autour duquel une expérience pourrait être conçue qui pourrait en fait être construite par nous, simples humains.

Ce qu'ils ont fait, c'est de mettre en place un petit anneau de haut-parleurs pour créer les ondes sonores tordues. Ces ondes étaient ensuite dirigées vers un absorbeur de bruit rotatif constitué d'un disque en mousse. Pendant ce temps, des microphones derrière le disque ont mesuré la fréquence et l'amplitude des ondes après avoir traversé le disque en rotation de plus en plus rapide pour voir si l'effet Doppler rotationnel correspondrait aux théories de Penrose et Zel'dovich.

Dans ce cas, la rotation du disque a diminué la hauteur du son, le laissant tomber jusqu'à ce qu'il devienne inaudible, puis il est revenu à sa hauteur précédente, seule l'amplitude était 30 pour cent supérieure à ce qui était initialement émis par les haut-parleurs.

"La version linéaire de l'effet Doppler est familière à la plupart des gens car le phénomène qui se produit lorsque le ton d'une sirène d'ambulance semble augmenter à mesure qu'elle s'approche de l'auditeur mais diminue lorsqu'elle s'éloigne", explique Cromb. "Il semble augmenter parce que les ondes sonores atteignent l'auditeur plus fréquemment à mesure que l'ambulance s'approche, puis moins fréquemment à mesure qu'elle passe.

"L'effet Doppler rotationnel est similaire, mais l'effet est confiné à un espace circulaire. Les ondes sonores tordues changent de hauteur lorsqu'elles sont mesurées du point de vue de la surface en rotation. Si la surface tourne assez vite, la fréquence du son peut faire quelque chose très étrange - il peut passer d'une fréquence positive à une fréquence négative, et ce faisant, voler de l'énergie à la rotation de la surface.

"Ce que nous avons entendu pendant notre expérience était extraordinaire. Ce qui se passe, c'est que la fréquence des ondes sonores est décalée par Doppler à zéro à mesure que la vitesse de rotation augmente. Lorsque le son recommence, c'est parce que les ondes ont été déplacées d'un fréquence positive à une fréquence négative. Ces ondes à fréquence négative sont capables de prendre une partie de l'énergie du disque de mousse en rotation, devenant plus fort dans le processus - tout comme Zel'dovich l'a proposé en 1971. "

La recherche a été publiée dans Physique de la nature et l'expérience est décrite dans la vidéo ci-dessous.


Qu'est-ce que le rayonnement de Hawking ?

En 1975, Stephen Hawking a découvert que les trous noirs ne sont pas aussi "noirs" qu'on le pensait auparavant. Ils possèdent une légère lueur en raison d'un certain rayonnement provenant d'eux, composé de photons, de neutrinos et d'un assortiment de particules plus grosses.

Hawking a découvert que les trous noirs ne sont pas colorés, comme les experts le pensaient auparavant (Crédit photo : Wikimedia Commons)

Des paires particule-antiparticule se forment et s'annihilent continuellement à travers la vaste étendue de l'espace, mais lorsque ces paires particule-antiparticule apparaissent au bord même de l'influence d'un trou noir, l'une des particules est aspirée, tandis que l'autre est émis sous forme de rayonnement. Ce phénomène unique est appelé Hawking Radiation. La particule expulsée émet une quantité d'énergie calculée par la célèbre équation d'Einstein E=mc 2 . Bien sûr, la prochaine grande question est devenue : si un trou noir produit autant d'énergie, y a-t-il un moyen de l'exploiter ?


Alors, euh, est-ce que quelqu'un se souvient où nous avons mis ce trou noir supermassif ?

On pourrait penser à un trou noir avec la masse d'une taille décente galaxie serait facile à trouver. Mais alors, vous ne cherchez pas celui au centre d'une galaxie dans Abell 2261.

Abell 2261 est un amas de galaxies ridiculement énorme à environ 2,7 milliards d'années-lumière de nous. Il a milliers de galaxies en elle, et les astronomes mesurent son contenu stellaire total pour égaler la masse d'un quadrillion (10 15 ) Soleils.

Plus de mauvaise astronomie

Alors oui, c'est un cluster costaud.

Comme la plupart des grands amas, il a une grande galaxie en son centre. Il n'a pas de nom officiel, mais les astronomes l'appellent Abell 2261 BCG, pour Brightest Cluster Galaxy. En général, les galaxies au centre des amas sont les plus grandes et les plus brillantes, elles sont littéralement au fond du puits de gravité de l'amas, et tout y tombe. Les fusions avec des galaxies plus petites sont courantes, de sorte que la galaxie centrale devient généralement énorme. Dans ce cas, la galaxie centrale a plus d'un million d'années-lumière de diamètre, éclipsant énormément notre propre Voie lactée (qui mesure environ 120 000 années-lumière de large).

Une image du télescope spatial Hubble du centre de l'amas de galaxies Abell 2261, montrant l'énorme galaxie centrale. Presque tout ce que vous voyez sur cette image est une galaxie. Crédit : NASA, ESA, M. Postman (Space Telescope Science Institute, USA), T. Lauer (National Optical Astronomy Observatory, USA), et l'équipe CLASH.

Nous savons également que chaque grande galaxie a un trou noir supermassif dans son noyau. Celles situées au centre des galaxies centrales ont également tendance à être vraiment énormes, pour la même raison que leurs galaxies hôtes : elles sont gourmandes, se régalant de gaz, d'étoiles et de tout ce qui tombe dans le centre de l'amas.

En examinant divers paramètres d'Abell 2261 BCG, les astronomes estiment qu'il devrait avoir un trou noir central pesant à un écrasant 10 milliard fois la masse du Soleil. C'est un gros trou noir comparé à celui au centre de notre galaxie de la Voie Lactée, appelé Sgr A* : il a une masse d'environ 4 millions de fois celle du Soleil, ce qui rend celui d'Abell 2261 environ 2 500 fois plus gros. Aïe.

Sauf que… il n'y a aucune preuve que le noir soit, euh, .

Gênant. Comment un monstre comme ça te manque-t-il ? Habituellement, encore une fois, parce que le centre d'un cluster est comme le drain dans un évier particulièrement grand, tellement de choses devraient tomber qu'elles s'accumulent dans un disque autour du trou noir. Ce disque est énorme et incroyablement chaud. Le matériau qu'il contient brille si férocement qu'il peut éclipser des galaxies entières et être clairement visible à travers l'Univers.

Cacher quelque chose comme ça est difficile.

Composite rayons X (violet) et lumière visible du centre de l'amas de galaxies Abell 2261. Crédit : Rayons X : NASA/CXC/U. Michigan/K. Gültekin Optical : NASA/STScI

Mais, Abell 2261 BCG est une étrange galaxie. Les images en lumière visible montrent que le noyau de la galaxie est exceptionnellement grand et présente d'autres caractéristiques inhabituelles. De plus, il n'est pas centré dans la galaxie elle-même ! C'est vraiment bizarre. La nature excentrée se voit à la fois dans la distribution des étoiles et des gaz chauds dans la galaxie.

Cela se produit parfois après une fusion lorsqu'une grande galaxie en mange une plus petite, les choses peuvent dérailler. Cela conduit à une idée intéressante : peut-être que le trou noir a mangé un repas trop copieux et a été expulsé du centre de la galaxie.

Si la galaxie centrale fusionnait avec une autre galaxie qui avait également un trou noir supermassif, cette seconde tomberait vers le centre, vers le plus grand trou noir. Sur quelques milliards d'années, les deux pourraient se rapprocher si près qu'ils se sont mis en orbite, puis ils finiraient par fusionner, se manger, former un seul trou noir plus grand et libérer une très grande quantité d'énergie dans les ondes gravitationnelles.

Cette explosion d'énergie peut parfois être décentrée. Nous parlons ici d'énergies stupéfiantes, comme convertir des milliers de fois la masse du Soleil en énergie pure. Si cette explosion est même un peu décentrée, un peu asymétrique, elle peut donner un énorme coup de fouet au trou noir résultant, le projetant loin du noyau galactique.

Image composite radio (rouge), optique (blanc) et radiographique (bleu) du noyau de la galaxie au centre d'Abell 2261, montrant diverses caractéristiques où un grand trou noir pourrait se cacher. Les croix représentent l'endroit où le centre de la galaxie est vu dans les différentes longueurs d'onde. Crédit : NASA/CXC, NASA/STScI, NAOJ/Subaru, NSF/NRAO/VLA

Se demandant si c'est ce qui s'est passé dans Abell 2261 BCG, les astronomes ont soigneusement examiné le noyau. Curieusement, il y a quatre amas d'étoiles très brillants là-bas, ainsi qu'un point brillant dans les ondes radio. L'un de ces cinq objets pourrait-il être le site du trou noir manquant ? Peut-être qu'il a entraîné ces étoiles avec lui, ou qu'il a heurté du gaz et l'a fait émettre des ondes radio.

Si c'est vrai, le trou noir devrait être une source assez importante de rayons X. Les astronomes ont donc utilisé l'observatoire à rayons X Chandra pour regarder Abell 2261 BCG pendant une longue période – 100 000 secondes, près de 28 heures – et ont ajouté cette observation à une observation plus ancienne de 35 000 secondes (près de 10 heures) pour obtenir une image très profonde de le noyau de la galaxie.

Et ce qu'ils ont trouvé était… Rien. Aucun indice d'un trou noir dans aucun de ces cinq points, et pas non plus au centre de la galaxie elle-même. Ils ont également pu éliminer plusieurs autres emplacements possibles.

C'est bizarre. Soit le trou noir n'existe pas – ce qui est si peu probable qu'il puisse être écarté – soit il ne mange tout simplement pas assez de matière pour briller aux rayons X. C'est assez improbable aussi. Maintenant, notre trou noir supermassif local, Sgr A*, ne brille pas beaucoup dans les rayons X car il ne se nourrit pas en ce moment, donc en principe un trou noir au repos comme celui-ci est possible.

Mais celui-ci serait un énorme trou noir au centre d'une immense galaxie au centre d'un énorme amas, et aurait cette énorme masse de dix milliards de soleils ! Un trou noir comme celui-là, être silencieux, c'est vraiment, vraiment particulier.

Donc, de toute façon, c'est un véritable mystère astronomique de grade A. Le cas de l'éléphant manquant de 20 undécillions de tonnes dans la pièce.

Si le trou noir est là (et je pense que c'est le cas), ce n'est pas du tout clair comment le trouver. Peut-être que nous devons regarder d'autres longueurs d'onde, ou faire des observations plus approfondies, ou les deux. Peut-être qu'il est vraiment au repos et qu'il est introuvable. Mais si c'est vrai, alors Pourquoi?

Parfois, si vous voulez des réponses à vos questions, la science est frustrante. Et même lorsque vous obtenez des réponses, cela ne fait que poser de plus en plus de questions déroutantes. Mais l'Univers est un endroit assez étrange. Nous devons continuer à poser ces questions si jamais nous voulons le comprendre.


Pourrions-nous exploiter l'énergie des trous noirs ?

Plasma proche de l'horizon des événements sur le point d'être dévoré par un trou noir en rotation. Crédit: Gravité classique et quantique, 2015. Reproduit avec l'autorisation d'IOP Publishing

Une prédiction remarquable de la théorie de la relativité générale d'Einstein - la théorie qui relie l'espace, le temps et la gravité - est que les trous noirs en rotation ont d'énormes quantités d'énergie disponibles à exploiter.

Au cours des 50 dernières années, les scientifiques ont essayé de trouver des méthodes pour libérer ce pouvoir. Le physicien Nobel Roger Penrose a émis l'hypothèse qu'une désintégration de particules pourrait tirer de l'énergie d'un trou noir Stephen Hawking a proposé que les trous noirs puissent libérer de l'énergie par émission de mécanique quantique tandis que Roger Blandford et Roman Znajek ont ​​suggéré le couple électromagnétique comme principal agent d'extraction d'énergie.

Maintenant, dans une étude publiée dans la revue Examen physique D, les physiciens Luca Comisso de l'Université de Columbia et Felipe Asenjo de l'Universidad Adolfo Ibanez au Chili, ont trouvé un nouveau moyen d'extraire de l'énergie des trous noirs en cassant et en rejoignant les lignes de champ magnétique près de l'horizon des événements, le point à partir duquel rien, pas même la lumière, ne peut échapper à l'attraction gravitationnelle du trou noir.

"Les trous noirs sont généralement entourés d'une" soupe "chaude de particules de plasma qui transportent un champ magnétique", a déclaré Luca Comisso, chercheur à l'Université de Columbia et premier auteur de l'étude.

"Notre théorie montre que lorsque les lignes de champ magnétique se déconnectent et se reconnectent, de la bonne manière, elles peuvent accélérer les particules de plasma à des énergies négatives et de grandes quantités d'énergie de trou noir peuvent être extraites."

Cette découverte pourrait permettre aux astronomes de mieux estimer la rotation des trous noirs, de générer des émissions d'énergie de trous noirs et pourrait même fournir une source d'énergie pour les besoins d'une civilisation avancée, a déclaré Comisso.

Comisso et Asenjo ont construit leur théorie sur la prémisse que la reconnexion des champs magnétiques accélère les particules de plasma dans deux directions différentes. Un flux de plasma est poussé contre la rotation du trou noir, tandis que l'autre est propulsé dans la direction de la rotation et peut échapper aux griffes du trou noir, qui libère de l'énergie si le plasma avalé par le trou noir a une énergie négative.

"C'est comme si une personne pouvait perdre du poids en mangeant des bonbons avec des calories négatives", a déclaré Comisso, qui a expliqué qu'essentiellement un trou noir perd de l'énergie en mangeant des particules d'énergie négative. "Cela peut sembler étrange", a-t-il déclaré, "mais cela peut arriver dans une région appelée l'ergosphère, où le continuum espace-temps tourne si vite que chaque objet tourne dans la même direction que le trou noir."

À l'intérieur de l'ergosphère, la reconnexion magnétique est si extrême que les particules de plasma sont accélérées à des vitesses approchant la vitesse de la lumière.

Asenjo, professeur de physique à l'Universidad Adolfo Ibáñez et coauteur de l'étude, a expliqué que la vitesse relative élevée entre les flux de plasma capturés et s'échappant est ce qui permet au processus proposé d'extraire des quantités massives d'énergie du trou noir.

"Nous avons calculé que le processus d'activation du plasma peut atteindre un rendement de 150 %, bien plus élevé que n'importe quelle centrale électrique fonctionnant sur Terre", a déclaré Asenjo. "Atteindre une efficacité supérieure à 100 pour cent est possible parce que les trous noirs fuient de l'énergie, qui est distribuée gratuitement au plasma s'échappant du trou noir."

Le processus d'extraction d'énergie envisagé par Comisso et Asenjo pourrait déjà fonctionner dans un grand nombre de trous noirs. C'est peut-être ce qui provoque les éruptions de trous noirs, de puissantes rafales de rayonnement pouvant être détectées depuis la Terre.

"Notre connaissance accrue de la façon dont la reconnexion magnétique se produit à proximité du trou noir pourrait être cruciale pour guider notre interprétation des observations actuelles et futures des trous noirs au télescope, telles que celles du télescope Event Horizon", a déclaré Asenjo.

Bien que cela puisse ressembler à de la science-fiction, l'extraction de l'énergie des trous noirs pourrait être la réponse à nos futurs besoins en énergie.

"Dans des milliers ou des millions d'années, l'humanité pourra peut-être survivre autour d'un trou noir sans exploiter l'énergie des étoiles", a déclaré Comisso. "C'est essentiellement un problème technologique. Si nous regardons la physique, il n'y a rien qui l'empêche."

L'étude, La reconnexion magnétique en tant que mécanisme d'extraction d'énergie à partir de trous noirs en rotation, a été financée par l'initiative Windows on the Universe de la National Science Foundation, la NASA et le Fonds national chilien pour le développement scientifique et technologique.

Vyacheslav (Slava) Lukin, directeur de programme à la NSF, a déclaré que la Fondation vise à catalyser de nouveaux efforts théoriques basés sur des observations de frontière dans des installations telles que l'EHT, réunissant la physique théorique et l'astronomie d'observation sous un même toit.

"Nous attendons avec impatience la traduction potentielle d'études apparemment ésotériques de l'astrophysique des trous noirs dans le domaine pratique", a déclaré Lukin.

"Les idées et les concepts discutés dans ce travail sont vraiment fascinants", a déclaré Vyacheslav (Slava) Lukin, directeur de programme à la National Science Foundation. Il a déclaré que la NSF vise à catalyser de nouveaux efforts théoriques basés sur des observations de frontière, réunissant la physique théorique et l'astronomie d'observation sous un même toit.

"Nous attendons avec impatience la traduction potentielle d'études apparemment ésotériques de l'astrophysique des trous noirs dans le domaine pratique", a-t-il ajouté.


Pourrions-nous exploiter l'énergie des trous noirs ?

Une prédiction remarquable de la théorie de la relativité générale d'Einstein - la théorie qui relie l'espace, le temps et la gravité - est que les trous noirs en rotation ont d'énormes quantités d'énergie disponibles à exploiter.

Au cours des 50 dernières années, les scientifiques ont essayé de trouver des méthodes pour libérer ce pouvoir. Le physicien Nobel Roger Penrose a émis l'hypothèse qu'une désintégration de particules pourrait tirer de l'énergie d'un trou noir Stephen Hawking a proposé que les trous noirs puissent libérer de l'énergie par émission de mécanique quantique tandis que Roger Blandford et Roman Znajek ont ​​suggéré le couple électromagnétique comme principal agent d'extraction d'énergie.

Maintenant, dans une étude publiée dans la revue Physical Review D, les physiciens Luca Comisso de l'Université de Columbia et Felipe Asenjo de l'Université Adolfo Ibanez au Chili, ont trouvé une nouvelle façon d'extraire l'énergie des trous noirs en cassant et en rejoignant les lignes de champ magnétique près de l'horizon des événements. , le point à partir duquel rien, pas même la lumière, ne peut échapper à l'attraction gravitationnelle du trou noir.

"Les trous noirs sont généralement entourés d'une" soupe "chaude de particules de plasma qui transportent un champ magnétique", a déclaré Luca Comisso, chercheur à l'Université de Columbia et premier auteur de l'étude.

"Notre théorie montre que lorsque les lignes de champ magnétique se déconnectent et se reconnectent, de la bonne manière, elles peuvent accélérer les particules de plasma à des énergies négatives et de grandes quantités d'énergie de trou noir peuvent être extraites."

Cette découverte pourrait permettre aux astronomes de mieux estimer la rotation des trous noirs, de générer des émissions d'énergie de trous noirs et pourrait même fournir une source d'énergie pour les besoins d'une civilisation avancée, a déclaré Comisso.

Comisso et Asenjo ont construit leur théorie sur la prémisse que la reconnexion des champs magnétiques accélère les particules de plasma dans deux directions différentes. Un flux de plasma est poussé contre la rotation du trou noir, tandis que l'autre est propulsé dans la direction de la rotation et peut échapper aux griffes du trou noir, qui libère de l'énergie si le plasma avalé par le trou noir a une énergie négative.

"C'est comme si une personne pouvait perdre du poids en mangeant des bonbons avec des calories négatives", a déclaré Comisso, qui a expliqué qu'essentiellement un trou noir perd de l'énergie en mangeant des particules d'énergie négative. "Cela peut sembler étrange", a-t-il déclaré, "mais cela peut arriver dans une région appelée l'ergosphère, où le continuum espace-temps tourne si vite que chaque objet tourne dans la même direction que le trou noir."

À l'intérieur de l'ergosphère, la reconnexion magnétique est si extrême que les particules de plasma sont accélérées à des vitesses approchant la vitesse de la lumière.

Asenjo, professeur de physique à l'Universidad Adolfo Ibáñez et coauteur de l'étude, a expliqué que la vitesse relative élevée entre les flux de plasma capturés et s'échappant est ce qui permet au processus proposé d'extraire des quantités massives d'énergie du trou noir.

"Nous avons calculé que le processus d'activation du plasma peut atteindre un rendement de 150 %, bien plus élevé que n'importe quelle centrale électrique fonctionnant sur Terre", a déclaré Asenjo. "Atteindre une efficacité supérieure à 100 pour cent est possible parce que les trous noirs fuient de l'énergie, qui est distribuée gratuitement au plasma s'échappant du trou noir."

Le processus d'extraction d'énergie envisagé par Comisso et Asenjo pourrait déjà fonctionner dans un grand nombre de trous noirs. C'est peut-être ce qui provoque les éruptions de trous noirs - de puissantes rafales de rayonnement qui peuvent être détectées depuis la Terre.

"Notre connaissance accrue de la façon dont la reconnexion magnétique se produit à proximité du trou noir pourrait être cruciale pour guider notre interprétation des observations actuelles et futures des trous noirs au télescope, telles que celles du télescope Event Horizon", a déclaré Asenjo.

Bien que cela puisse ressembler à de la science-fiction, l'extraction de l'énergie des trous noirs pourrait être la réponse à nos futurs besoins en énergie.

"Dans des milliers ou des millions d'années, l'humanité pourra peut-être survivre autour d'un trou noir sans exploiter l'énergie des étoiles", a déclaré Comisso. "C'est essentiellement un problème technologique. Si nous regardons la physique, il n'y a rien qui l'empêche."

L'étude, La reconnexion magnétique en tant que mécanisme d'extraction d'énergie à partir de trous noirs en rotation, a été financée par l'initiative Windows on the Universe de la National Science Foundation, la NASA et le Fonds national chilien pour le développement scientifique et technologique.

"Nous attendons avec impatience la traduction potentielle d'études apparemment ésotériques de l'astrophysique des trous noirs dans le domaine pratique", a déclaré Lukin.

"Les idées et les concepts discutés dans ce travail sont vraiment fascinants", a déclaré Vyacheslav (Slava) Lukin, directeur de programme à la National Science Foundation. Il a déclaré que la NSF vise à catalyser de nouveaux efforts théoriques basés sur des observations de frontière, réunissant la physique théorique et l'astronomie d'observation sous un même toit.

"Nous attendons avec impatience la traduction potentielle d'études apparemment ésotériques de l'astrophysique des trous noirs dans le domaine pratique", a-t-il ajouté.


La tâche délicate de détecter les trous noirs

Voir des objets qui ne reflètent pas la lumière est une affaire délicate. Et les trous noirs sont aussi insaisissables qu'une cible peut l'être. Le tourbillon gravitationnel de ces puits cosmiques attire vers l'intérieur avec une telle force que même la lumière ne peut échapper à leur emprise.

Cela pose un problème délicat aux scientifiques, dont les instruments reposent généralement sur la lumière - qu'il s'agisse de lumière visible, d'ondes radio, de rayons X ou d'infrarouges - pour observer des objets dans l'espace.

Les astronomes repèrent actuellement les trous noirs en détectant le rayonnement à haute énergie émis par la matière tourbillonnante qui y tombe. Avant que la matière ne dépasse le point de non-retour d'un trou noir, appelé horizon des événements, tout rayonnement qu'elle émet peut encore s'échapper. Dans une décennie, cependant, les scientifiques espèrent repérer les trous noirs en observant les déformations de l'espace-temps créées par leur immense gravité.

Voir l'invisible

Les chercheurs connaissent les trous noirs depuis que leur existence a été prédite par des théories telles que la relativité générale d'Einstein. Sachant qu'ils sont invisibles, cependant, les scientifiques ont mis au point des moyens intelligents pour détecter indirectement la présence de trous noirs.

Une méthode a été d'observer la disparition d'un objet tombant dans ces tombes cosmiques.

« Si un matériau tombe dans un trou noir, il est déchiqueté et se réchauffe », a déclaré Roeland van der Marel, chercheur au Space Telescope Science Institute. "En se réchauffant, il commence à émettre un rayonnement et ce rayonnement que nous pouvons observer. En particulier, nous pouvons souvent voir des rayons X provenant de trous noirs."

Ces rayons X ne pénètrent pas dans l'atmosphère terrestre et ne peuvent être détectés qu'avec des télescopes positionnés dans l'espace. L'observatoire Constellation-X de la NASA - une combinaison de quatre télescopes à rayons X travaillant ensemble pour générer 100 fois la puissance de n'importe quelle mission de satellite à rayons X - sera en mesure d'effectuer des observations aussi sensibles.

"The superior sensitivity of Con-X will give us enough information to be able to ask a fundamental question: are black holes really described by the Einstein's Theory," said Chris Reynolds, a Constellation-X science team member and a researcher at the University of Maryland.

"In essence, Einstein's theory makes specific predictions about the way the X-ray spectrum changes in time as gas orbits around the black hole," Reynolds told ESPACE.com. "With Con-X, we can look for those variations in the spectrum and see if they match Einstein's predictions."

Another technique used for identifying black holes is looking at how objects neighboring one behave.

"Because a black hole is quite massive, any material, for example stars, that move close to it, will feel a lot of gravity," van der Marel said. "As a result of this, these stars will move quite fast. So another method of actually detecting the presence of black holes is looking for objects near the black hole that you can actually see that move much faster than you would naively have expected on the basis of the assumption that there would not be a black hole."

The motions of these stars are detectable by ground based telescopes like Gemini, and with space-based telescopes such as the Hubble Space Telescope.

The ripple effect

Gravitational wave detectors go about detecting black holes in a completely different way, said Doug Richstone, a Laser Interferometer Space Antenna (LISA) science team member and a researcher from University of Michigan.

Einstein's general theory of relativity predicts that concentrations of mass or energy warp the fabric of the universe. According to his theory, changes in the shape and concentration of mass or energy will cause distortions that move out like ripples on a pond.

When a black hole swallows a neutron star or another black hole, or when two black holes merge or just orbit each other very closely, they'll emit these ripples in space-time, Richstone told ESPACE.com.

Scientists can detect gravity waves by how they move objects in space. For example, two probes sitting stationary in space, apart from each other, will jiggle slightly when a gravity wave rolls by. This is akin to buoys at sea displaced by waves. LISA-the first dedicated space-based gravitational wave observatory and a joint venture of NASA and ESA-will be able to measure such distortions of space-time.

"Just like you're floating on the ocean, as waves go by, you go up and down," Richstone said. "And so the trick is to measure the separation between test masses that have been isolated from all forces except gravitational forces."

Similar to LISA, a ground based observatory-with two installations situated in Hanford, Washington, and Livingston, Louisiana and called the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO)-will be used for detecting cosmic gravitational waves.

LIGO works by shining a laser light to a detector. As ripples pass by, the light beam should be slightly perturbed. The different frequencies in the waves will allow astronomers to figure out the source of a disturbance. LIGO, a collaborative effort between Caltech and MIT, began its search for cosmic waves in 2002.

"It is possible that, depending on how long it will take for LISA to get to space, that LIGO will detect a gravitational wave source first. But I think it's just a question of which one will do it first," Richstone said.

LISA is scheduled to launch in 2015.

"No one has detected gravitational waves yet. If LISA flies and works properly, it will detect gravitational waves from astronomical sources," Richstone said. "If it doesn't, then Einstein's theory of general relativity is wrong."


Can blackholes be used to harvest energy? Scientists prove a 50-year-old theory right

A rotating black hole is such an extreme force of nature that it drags surrounding time and space around with it. So it is only natural to ask whether black holes could be used as some sort of energy source. In 1969, mathematical physicist Roger Penrose proposed a method to do just this, now known as the “Penrose Process”.

The method could be used by sophisticated civilisations – aliens or future humans – to harvest energy by making “black hole bombs”. Some of the physics required to do so, however, had never been experimentally verified – until now. Our study confirming the underlying physics has just been published in Nature Physics.

Around its event horizon – the boundary around a black hole beyond which nothing, not even light, can escape – a rotating black hole creates a region called the “ergosphere”. If an object falls into the ergosphere in such a way that it splits – with one part falling in to the black hole and the other escaping – the part that flees effectively gains energy at the expense of the black hole. So by sending objects or light towards a rotating black hole, we could get energy back.

But does this theory hold up? In 1971, the Russian physicist Yakov Zel’dovich translated it to other rotating systems that could be tested back on Earth. The black hole became a rotating cylinder made from a material that can absorb energy.

Zel’dovich imagined that light waves could extract energy from the cylinder and become amplified. For the amplification effect to work, however, these waves need to have something called “angular momentum”, which twists them into spirals.

When twisted light waves hit such a cylinder, their frequency should change because of something called the “Doppler shift”. You have most likely experienced this when listening to an ambulance siren. When it moves towards you it has a higher pitch than when it moves away from you – the direction of travel changes the pitch of the sound. In a similar way, changes in rotational speed alter the perceived frequency of a light wave.

If the cylinder rotates fast enough, the altered wave frequency should drop so low that it will become negative, which simply means that the wave spins in the opposite direction.

Positive frequency waves should be partly absorbed by the cylinder, losing energy. But the negative frequency waves would transform this loss into gain and instead become amplified by the cylinder. They would extract energy from the rotation, just like the object escaping from Penrose’s black hole.

Testing Zeldovich’s theory may appear simple. But the rotating object needs to spin at the same or higher frequency as the waves. To amplify visible light waves, which oscillate at a frequency of hundreds of trillions of times a second, you would need to rotate an absorbing object billions of times faster than anything that’s mechanically possible today.

Breakthrough at last

Light travels at about 300 million metres per second. So to make the theory easier to test, we opted to use sound waves, which travel roughly a million times slower, meaning we didn’t need the absorber to rotate so quickly.

To create a twisted sound wave, we used a ring of speakers all emitting the same frequency but starting at slightly different times, so the sound follows a spiral. For our rotating absorber we used a piece of sound-absorbing foam attached to a motor. Microphones placed inside the foam allowed us to record the sound after it had interacted with the rotating absorber.

We found that when the foam span slowly – at a low frequency – the sound we recorded was quieter because it had been absorbed by the foam. But when we spun the foam fast enough for it to Doppler shift the frequency of the sound waves enough to make them negative, the sound became louder.

This can only mean that the sound wave had taken energy from our rotating absorber, finally proving the 50-year-old theory.

Black-hole bomb

All this of course does not explicitly verify that Penrose’s idea for energy extraction will actually work for a black hole. Rather, our experiments verify the counter-intuitive underlying physics by showing that shifting wave frequencies from positive to negative results in the waves gaining rather than losing energy.

While we are not anywhere close to extracting energy from a rotating black hole, this doesn’t mean it couldn’t be done by a very advanced alien civilisation – or indeed our own civilisation in the distant future. Such a civilisation could build a structure around the black hole that rotates with it and then drop asteroids or even electromagnetic waves into it what would be reflected with more energy.

Even better, they could build a so-called black hole bomb by completely surrounding the black hole with a reflecting mirror shell. Light shone into the black hole would return amplified, and then reflected back by the mirror to the black hole to be amplified again, and so on.

The energy would increase exponentially in a back-and-forth runaway explosion. But by letting some of this amplified light out of the shell through a hole, you could control the process and produce essentially limitless energy.

Although this is still science fiction, in a very distant future when the universe has all but died and the only remnants of galaxies and stars are black holes, this method would be the only hope for any civilisation to survive. This would be a universe with immense, isolated sources of energy, shining bright in an otherwise completely black sky.

Daniele Faccio, Professor of Quantum Technologies, University of Glasgow. Marion Cromb, PhD Candidate in Physics, University of Glasgow.

This article first appeared on The Conversation.


Plus de questions que de réponses

While this observation does answer the question of whether or not intermediate-mass black holes exist, it has also led to a number of new questions for black hole astronomers.

In particular, the two stellar-mass black holes involved in the collision had masses that astronomers didn’t previously think were possible. While astronomers can explain black holes up to about 65 times the mass of the Sun and around 100 times the mass of the Sun with supernova explosions, a phenomenon known as pair instability is thought to prevent black hole remnants from forming in the mass range between 65 to 100 times the mass of the Sun.

The black holes involved in this collision, however, had masses of 66 and 85 times the mass of the Sun — right in the so-called “pair instability mass gap” where supernova explosions shouldn’t be able to form black holes.

“The fact that we’re seeing a black hole in this mass gap will make a lot of astrophysicists scratch their heads,” said Nelson Christensen, a researcher at the French National Centre for Scientific Research (CNRS) who was involved in the study.

“This event opens more questions than it provides answers,” added Alan Weinstein, a professor of physics at the California Institute of Technology.

“Du point de vue de la découverte et de la physique, c'est une chose très excitante.”