Un giorno potremo ricavare energia dai buchi neri

Nel 1969, Penrose si accorse che uno fra i vari tipi di buchi neri previsti dalla teoria della relatività generale, quello di Kerr-Newman che mantiene "memoria" di massa, carica elettrica e momento angolare, possiede una caratteristica particolare, a discapito della sua rotazione è teoricamente possibile estrarne energia.

0
3221

Roger Penrose, laureato in fisica a Cambridge nel 1957, dal 1973 insegna matematica presso l’Università di Oxford. E’ stato, nel 1975, Fellow all’University College di Londra, Visiting Professor Yeshiva a Princeton e alla Cornell Univerity nel 1966-67 e nel 1969, Lovett Professor Rice all’Università di Houston dal 1983 al 1987. Nel 1998, per i suoi studi sulla struttura dell’universo ha ricevuto il premio Wolf, il maggior riconoscimento mondiale per la matematica.

Nel 1969, Penrose si accorse che uno fra i vari tipi di buchi neri previsti dalla teoria della relatività generale, quello di Kerr-Newman che mantiene “memoria” di massa, carica elettrica e momento angolare, possiede una caratteristica particolare, a discapito della sua rotazione è teoricamente possibile estrarne energia.

Grazie al suo moto di rotazione attorno a un asse, il buco nero di Kerr-Newman possiede una regione di trascinamento il cui “bordo” in prossimità dei poli combacia con l’orizzonte degli eventi, ma se ne distacca in prossimità dell’equatore. Tale ragione è chiamata ergosfera.

La caratteristica fondamentale di questa zona è che nessuna particella, una volta al suo interno, può rimanere a riposo, ma deve partecipare alla rotazione del buco nero. Ciò significa che ha ancora la possibilità di sfuggire alla potente attrazione gravitazionale.

Ma non solo.

In questa peculiare regione dello spazio-tempo l’energia può avere valore negativo. Prendiamo ad esempio una particella con energia E0 e facciamola entrare nella ergosfera. La particella decade in due altre particelle con energia E1 ed E2 di cui una riesce a sfuggire all’attrazione del buco nero mentre l’altra, ad esempio E1, viene catturata dalla rotazione dell’intera regione, oltrepassa l’orizzonte degli eventi e non torna mai più indietro.

In questa regione l’energia può cambiare di segno, risulta possibile, in seguito al principio della conservazione dell’energia per cui E0 = E1+E2 che la particella uscente possegga più energia di quanta ne avesse prima di entrare nella ergosfera, poiché adesso E0 = – E1+E2, dalla quale risulta E2 = E1+E0.

A scapito della massa e della rotazione del buco nero, entrambe ridotte, è stato possibile ottenere uno stato finale con più energia di quello iniziale.

Il processo di Penrose ha portato alla congettura che una civiltà extraterrestre tecnologicamente avanzata potrebbe generare energia costruendo una città su una struttura posta attorno a un buco nero rotante. I rifiuti prodotti potrebbero essere eliminati spedendoli semplicemente con delle navette spaziali nel buco nero. Le navette spaziali potrebbero così fare ritorno alla città con un eccesso di energia che potrebbe essere immagazzinata sotto forma di energia cinetica ed utilizzata per generare potenza.

Nel 1971, il fisico Yakov Zel’dovich ha suggerito che la teoria poteva essere testata con un esperimento più pratico e diretto. Ha proposto che le onde luminose “distorte”, colpendo la superficie di un cilindro di metallo rotante in rotazione alla giusta velocità, finissero per essere riflesse con una energia maggiore estratta dalla rotazione del cilindro stesso grazie a una stranezza dell’effetto doppler rotazionale. Ma l’idea di Zel’dovich è rimasta tale perché, affinché l’esperimento funzioni, il cilindro di metallo dovrebbe ruotare almeno un miliardo di volte al secondo, una sfida che l’ingegneria attuale non può vincere.

Ma le idee di Penrose e di Zel’dovich non sono state dimenticate. I ricercatori della School of Physics and Astronomy dell’Università di Glasgow hanno trovato un modo per dimostrare sperimentalmente l’effetto che Penrose e Zel’dovich hanno proposto, distorcendo il suono invece della luce: una sorgente di frequenza molto più bassa, e quindi molto più pratica da dimostrare in laboratorio. In un articolo pubblicato su Nature Physics, il team descrive la realizzazione di un sistema che utilizza un piccolo anello di altoparlanti per creare una torsione delle onde sonore analoga alla torsione delle onde luminose proposta da Zel’dovich.

Quelle onde sonore distorte sono state dirette verso un disco rotante composto da materiale fono assorbente in schiuma. Una serie di microfoni dietro il disco hanno raccolto il suono dagli altoparlanti mentre passava attraverso il disco stesso, aumentando costantemente la velocità della sua rotazione.

Ciò che il team ha cercato di ascoltare per sapere se le teorie di Penrose e Zel’dovich erano corrette era un cambiamento distintivo nella frequenza e nell’ampiezza delle onde sonore mentre viaggiavano attraverso il disco, causato da quel bizzarro effetto doppler.

Marion Cromb, un Ph.D. studente della School of Physics and Astronomy dell’Università, è l’autore principale del documento. Marion ha spiegato: “La versione lineare dell’effetto doppler è familiare alla maggior parte delle persone poiché il fenomeno che si verifica quando il tono di una sirena di un’ambulanza sembra aumentare mentre si avvicina all’ascoltatore ma cala mentre si allontana. Sembra alzarsi perché le onde sonore raggiungono l’ascoltatore più frequentemente mentre l’ambulanza si avvicina, quindi meno frequentemente mentre si allontana“.

L’effetto doppler rotazionale è simile, ma l’effetto è limitato a uno spazio circolare. Le onde sonore contorte cambiano il loro tono quando misurate dal punto di vista della superficie rotante. Se la superficie ruota abbastanza velocemente, la frequenza del suono può fare qualcosa di molto strano: può passare da una frequenza positiva a una negativa e, così facendo, può rubare un po’ di energia dalla rotazione della superficie“.

Man mano che la velocità del disco rotante viene incrementata, il tono del suono dagli altoparlanti diminuisce fino a quando diventa troppo basso per essere udito. Quindi, il tono risale nuovamente fino a raggiungere il tono precedente, ma più forte, con un’ampiezza fino al 30% maggiore rispetto al suono originale proveniente dagli altoparlanti.

Marion ha aggiunto: “Ciò che abbiamo ascoltato durante il nostro esperimento è stato straordinario. Quello che sta succedendo è che la frequenza delle onde sonore viene spostata a zero mentre la velocità di centrifuga aumenta. Quando il suono si riavvia, è perché le onde sono passate da una frequenza positiva a una frequenza negativa. Quelle onde a frequenza negativa sono in grado di prelevare parte dell’energia dal disco di schiuma in rotazione, diventando più rumorosa nel processo, proprio come proposto da Zel’dovich nel 1971“.

Il professor Daniele Faccio, anch’esso della School of Physics and Astronomy dell’Università di Glasgow, è coautore del documento: “Siamo entusiasti di essere stati in grado di verificare sperimentalmente una fisica estremamente strana mezzo secolo dopo la prima proposta della teoria. È strano pensare che siamo stati in grado di confermare una teoria vecchia di mezzo secolo con origini cosmiche qui nel nostro laboratorio nell’ovest della Scozia, ma pensiamo che aprirà molte nuove strade dell’esplorazione scientifica. Siamo ansiosi di vedere come possiamo studiare l’effetto su diverse fonti come le onde elettromagnetiche nel prossimo futuro“.

L’articolo del gruppo di ricerca, intitolato “Amplificazione delle onde da un corpo rotante“, è pubblicato su Nature Physics.

Fonti: