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ブラックホール・エネルギー工場とブラックホール爆弾は紙一重

ブラックホールは強力な重力エンジンである。だから、チャンスがあればそこからエネルギーを取り出す方法があるに違いないと想像するかもしれない。確かに、ブラックホールの降着円盤とジェットの熱と運動エネルギーをすべて利用することはできるが、何もない空間にあるブラックホールだけでも、ペンローズ過程(英:Penrose process)として知られるトリックからエネルギーを取り出すことはできる。

1971年にSir Roger Penroseによって初めて提案されたこの方法は、ブラックホールから回転エネルギーを取り出す方法である。回転する物体が近くの空間をねじり、その物体に向かって落下する物体が回転の経路に沿ってわずかに引きずられる。地球近傍では、その効果はごくわずかだが観測されている。回転しているブラックホールの近くでは、その効果は非常に大きい。エルゴ球と呼ばれる領域では、物体は自由空間の光よりも速い速度でブラックホールの周りに引きずられる。

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ペンローズ過程における物体の軌道。 (Credit: Aleksandr Berdnikov, CC BY-SA 4.0)

大雑把に言うと、ペンローズ過程は、高速で回転するブラックホールのエルゴ領域に飛び込み、質量や放射線をブラックホールに放出することである。その結果、回転のキックによって、ブラックホールに近づいた時よりも速く、ブラックホールから遠ざかる。余分なエネルギーは、ブラックホールの回転を遅くすることで釣り合う。このプロセスは、理論的にはブラックホールの質量エネルギーの最大20%を取り出すことができる。それに比べ、水素をヘリウムに融合させた場合、質量エネルギーの1%程度しか得られない。

もちろん、理論物理学者は決して満足しない。ブラックホールから質量エネルギーの20%を取り出せるのなら、なぜもっと取り出せないのか?これは最近の論文の焦点であるが、我々が宇宙で目にするブラックホールよりも抽象的なアイデアに焦点を当てていることに注意すべきである。

単純なブラックホールは、質量、回転、電荷の3つによって特徴づけられる。我々が観測しているブラックホールは最初の2つを持っているが、物質は電気的に中性であるため、3つ目は持っていない。この論文では、荷電ブラックホールに焦点を当てる。我々の宇宙も膨張しており、ド・ジッター空間(英: de Sitter space)として知られるアインシュタイン方程式の解によって大まかに記述することができる。これは、正の宇宙定数を持つ空の宇宙を記述する。反ド・ジッター空間(AdS)は、宇宙定数が負の宇宙である。AdSは我々の宇宙を記述するものではないが、理論家が好む数学的なトリックがいくつか使えるので、一般相対性理論の限界を探るためによく使われる。この論文では、特に反デ・シッター空間にある荷電ブラックホールについて見ている。

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反ド・ジッター空間の視覚化。 (Credit: Alex Dunkel)

この研究は完全に仮説であるが、「もしも」のシナリオとして興味深い。著者らは、ブラックホールの自転からエネルギーを取り出すのではなく、Bañados-Silk-West(BSW)効果を利用した粒子の崩壊によってエネルギーを取り出す方法に注目している。ある種の電磁的あるいは物理的な閉じ込めミラーを使うことで、粒子を事象の地平面付近で前後に反射させ、利用可能なエネルギーとして崩壊するまでブラックホールからエネルギーを得ることができる。著者らが示しているように、このアイデアの問題点は、粒子エネルギーがフィードバック的に粒子エネルギーを増幅させる暴走効果につながり、いわゆるブラックホール爆弾につながる可能性があることだ。反デシター宇宙で荷電ブラックホールの近くに発電所を建設することになったら、慎重に行動してほしい。

さらに興味深いのは、何もない反ド・ジッター宇宙に荷電ブラックホールが存在する場合である。この場合も、エネルギーはブラックホールから取り出される。鏡の代わりに、時空の構造自体が一種の閉じ込め室として機能する。そのため、帯電したブラックホールは自らエネルギーを放出することになる。これはホーキング放射に似ているが、この場合は量子重力に依存しない。著者らは、このケースはブラックホール爆弾にはつながらないことも発見した。

前述したように、いずれも我々の宇宙に実在するブラックホールには当てはまらない。我々が知る限り、ペンローズ過程が本当にできる最善の方法なのだ。しかし、このような研究は、空間と時間の基本的な性質について明らかにするものであり、有用である。そして今、私たちが想像するしかない奇妙な反宇宙でも、ブラックホールは時間とともにエネルギーを放出することができることがわかっている。


論文


この記事は、BRIAN KOBERLEIN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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