Όταν αυτά τα αντικείμενα βρίσκονται κοντά στον ορίζοντα του γεγονότος, επιταχύνονται σε απίστευτες ταχύτητες. Τώρα, ορισμένοι φυσικοί προτείνουν να αξιοποιήσουν τη βαρυτική έλξη των μαύρων οπών για να δημιουργήσουν άγριους επιταχυντές σωματιδίων. Το κόλπο, σύμφωνα με τη νέα μελέτη, είναι να προετοιμάσουμε προσεκτικά τα πάντα, έτσι ώστε τα σωματίδια να μην χαθούν για πάντα στην ακόρεστη μαύρη τρύπα. Αυτή η νέα εικόνα μπορεί να μας βοηθήσει να εντοπίσουμε τις μαύρες τρύπες από τα ρεύματα των σωματιδίων που εκρήγνυνται από αυτά.
Πέφτω μαζί
Ας πούμε ότι ένα σωματίδιο αρχίζει να πέφτει σε μια μαύρη τρύπα. Καθώς πλησιάζει στη μαύρη τρύπα, επιταχύνεται, ακριβώς όπως μια μπάλα επιταχύνεται καθώς κυλά κάτω από έναν λόφο. Στην πραγματικότητα, είναι πολύ χειρότερο από μια μπάλα που κυλά κάτω από έναν λόφο, επειδή η βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας είναι τόσο ισχυρή που τα σωματίδια μπορούν να πέσουν γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός
Ο ορίζοντας συμβάντος – η απόσταση από τη μαύρη τρύπα όπου τα σωματίδια εισπνοής φτάνουν στην ταχύτητα του φωτός – καθορίζει το όριο της μαύρης τρύπας.
Εάν ένα σωματίδιο πέσει μέσα, χάνεται για πάντα, κλειδωμένο πίσω από τον ορίζοντα του γεγονότος χωρίς ελπίδα διαφυγής. Όταν σκέφτεστε να κάνετε έναν επιταχυντή σωματιδίων, αυτή η περιοχή είναι απαγορευμένη, καθώς ένας επιταχυντής που δεν φτύνει ποτέ σωματίδια δεν θα ήταν διασκεδαστικός.
Αλλά αυτή είναι η ιστορία ενός μόνο μοναχικού σωματιδίου. Όταν εμπλέκονται δύο ή περισσότερα σωματίδια, τα πράγματα μπορούν να γίνουν ενδιαφέροντα.
Πηγαίνοντας στο άκρο
Εάν δύο σωματίδια πλησιάσουν μια μαύρη τρύπα, το καθένα λαμβάνει τεράστια ώθηση στην ενέργεια. Οι τρέχοντες συγκολλητές σωματιδίων επιταχύνουν τα βαριά σωματίδια στο πάνω από το 99% της ταχύτητας του φωτός, αλλά χρειάζεται πολλή δουλειά (και στην περίπτωση του μεγαλύτερου ατομικού σπρέι στον κόσμο, το Large Hadron Collider , ένας δακτύλιος καναλιών υπεραγωγών σχεδόν 17 μίλια, ή 27 χιλιόμετρα, μήκος). Οι μαύρες τρύπες δημιουργούν ένα τέτοιο τρελό επιτάχυνση απλώς από το υπάρχον.
Καθώς τα δύο σωματίδια πλησιάζουν τον ορίζοντα του γεγονότος, οι ταχύτητές τους ανεβαίνουν. Και αν τυχαίνει να έχουν τον σωστό συνδυασμό της εισερχόμενης ταχύτητας και κατεύθυνσης, μπορούν να τρυπηθούν μεταξύ τους, στέλνοντας ένα από αυτά να πέσει κατακόρυφα, καθώς ο άλλος φουσκώνει στην άκρη του ορίζοντα του γεγονότος πριν πετάξει στην ασφάλεια.
Αυτά τα γεγονότα είναι σπάνια, αλλά προηγούμενη έρευνα διαπίστωσε ότι τα σωματίδια είναι ικανά να συντρίψουν μαζί με αυθαίρετα υψηλές ενέργειες – όλα εξαρτώνται από το πόσο κοντά μπορούν να φτάσουν στον ορίζοντα του συμβάντος (και πόσο κοντά φτάνουν στην ταχύτητα του φωτός) στο στιγμή σύγκρουσης.
Αυτός ο επιταχυντής σωματιδίων rimshot θα λειτουργούσε ακόμα καλύτερα για την περιστροφή μαύρων οπών. Λόγω της ακραίας περιστροφής τους, αυτοί οι τύποι μαύρων οπών μπορούν να περιστρέψουν το χωροχρόνο γύρω από τον ορίζοντα του συμβάντος, επιτρέποντας σε περισσότερα σωματίδια να φτάσουν κοντά στον ορίζοντα του συμβάντος πριν πετάξουν στο άπειρο.
Ωστόσο, υπάρχει ένα πόρισμα σε αυτήν την ιστορία. Λόγω της περίπλοκης φύσης των μαθηματικών που εμπλέκονται, αυτό το σενάριο μαύρης τρύπας ως σωματιδίου-κανόνι έχει διερευνηθεί μόνο στην περίπτωση αυτού που είναι γνωστό ως “ακραίες” μαύρες τρύπες. Αυτές είναι θεωρητικές μαύρες τρύπες που είναι η μικρότερη δυνατή μάζα που μπορεί να περιστραφεί με δεδομένη ταχύτητα. Στην πραγματική ζωή, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι σχεδόν όλες (αν όχι απολύτως όλες) οι μαύρες τρύπες είναι πολύ πιο μαζικές από ό, τι αυστηρά πρέπει να είναι.
Αυτό θα έκανε τις πραγματικές μαύρες τρύπες “μη ακραίες”, πράγμα που σημαίνει ότι μέχρι τώρα, οι φυσικοί δεν ήταν σίγουροι αν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως σωματιδιακοί συγκολλητές ή όχι.
Κάνοντας όλα λειτουργούν
Αποδεικνύεται, κάνουν, χάρη στη νέα έρευνα που δημοσιεύθηκε την 1η Οκτωβρίου στη βάση δεδομένων εκτύπωσης arXiv και πρόκειται να δημοσιευτεί στο περιοδικό Physics Review D. Η νέα έρευνα διαπίστωσε ότι πιο ρεαλιστικές μαύρες τρύπες – συμπεριλαμβανομένων των μαζικών, περιστρεφόμενων μαύρων οπών και ηλεκτρικά οι φορτισμένες μαύρες τρύπες μπορούν ακόμα να επιταχύνουν χρήσιμα τα σωματίδια.
Ωστόσο, δεν είναι ένα γενικό όπλο σωματιδίων. Προκειμένου να επιτευχθεί το απαιτούμενο λάκτισμα υψηλής ταχύτητας, τα εισερχόμενα σωματίδια πρέπει να σπεύσουν σε ήδη υψηλές ταχύτητες, κάτι που αναιρεί το σημείο. Αλλά οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι πολλαπλές συγκρούσεις χαμηλής ταχύτητας μπορούν να πραγματοποιηθούν κοντά στον ορίζοντα του γεγονότος, οδηγώντας στην επιθυμητή παραγωγή υψηλής ενέργειας.
Δυστυχώς, δεδομένου ότι οι συγκρούσεις πρέπει να συμβούν κοντά στον ορίζοντα του γεγονότος για να φτάσουν σε τέτοιες παράφρονες ενέργειες, όταν ξεφύγουν από τη μαύρη τρύπα, πρέπει να πολεμήσουν ενάντια σε όλη αυτή τη σχεδόν συντριπτική βαρύτητα, επιβραδύνοντάς τις πριν φτάσουν στην πραγματική ελευθερία στο διαστρικό χώρο. Ευτυχώς, οι ερευνητές βρήκαν επίσης μια λύση για αυτό το πρόβλημα, δείχνοντας ότι συγκρούσεις υψηλής ενέργειας μπορούν να συμβούν γύρω από περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες χωρίς να φτάσουν πολύ κοντά στους ορίζοντες του συμβάντος – πράγμα που σημαίνει ότι τα σωματίδια μπορούν να πυροδοτηθούν σε μια φλόγα δόξας.
