回転するブラックホールは、遠い未来に電力を供給する風力タービンになる可能性があるでしょうか?

2022 年に公開された天の川ブラックホールの史上初の画像を制作したイベント ホライゾン テレスコープ (EHT) の共同研究は、銀河系の中心にある巨大な天体の新たな視点、つまり偏光でどのように見えるかを捉えました。天文学者が射手座 A* の端にこれほど近い磁場の特徴である偏光を測定することができたのはこれが初めてです。この画像は、天の川ブラックホールの偏光ビューを示しています。この画像に重ねられた線は、ブラック ホールの影の周りの磁場に関連する偏光の方向を示しています。 |写真提供: ロイター

ブラックホールは謎に満ちた天体であり、それについて私たちが知らないことがたくさんあります。長年の疑問の一つは、時空を引きずってしまうほど強力な回転ブラックホールをエネルギー源として利用できるかどうかということだ。

物理学者のロジャー・ペンローズは、回転するブラックホールに物体が落ち、一部が脱出して分裂した場合、残った部分は効果的にブラックホールからエネルギーを得るはずだと示唆しました。

したがって、回転するブラックホールに向かって物体や光を送れば、エネルギーを取り戻すことができるかもしれません。ただし、これらすべてを直接証明するのは困難です。しかし、私たちは最近、その背後にあるより一般的な理論を実験的に検証する2番目の研究をNature Communications誌に発表しました。この理論は、物質や放射線を吸収できるすべての回転物体に関係しており、ブラック ホールは本質的に、非常に大きくて効果的な吸収体にすぎません。

このアイデアは 1971 年にソ連の物理学者ヤコフ・ゼルドヴィッチに遡ります。ペンローズの考えを一般化すると、彼は非常に単純なことを予測しました。波からエネルギーを吸収する円柱を回転させると、実際には波の一部を増幅する（エネルギーを高める）ために自らのエネルギーを消費するはずです。

これは、円柱と同じ方向に固有の回転 (角運動量として知られる) を持ち、円柱の回転速度に対して十分に低い周波数を持つ波に当てはまります。

ゼルドビッチの提案は、ブラック ホールが量子真空からの光子を増幅することによってゆっくりとエネルギーを放射するはずであるというスティーブン ホーキング博士の有名なアイデアにインスピレーションを与えました。

トリッキーな実験

ゼルドビッチ効果の単純さと基礎物理学との重要な関係にもかかわらず、この効果は最近まで直接テストされていませんでした。

ゼルドヴィッチの増幅条件は一般的でしたが、そのような効果を示す可能性のある仮説システムについての彼の説明は非常に具体的でした。これには、OAM (軌道角運動量の略) として知られる角運動量の一種で自由空間を (光の速度で) 移動する波が含まれており (光線がねじれていることを意味します)、高速回転する円筒に衝突します。

しかし、このことは、円筒が光の速度に匹敵する速度で回転できなければ（今日では機械的に不可能な構造である）、条件を満たす OAM 波が一定の領域に広がるため、増幅効果はごくわずかであることを示唆しています。円柱が（ゼルドヴィッチの言うところの）「非波ゾーン」にあるほど大きく、波とほとんど相互作用しません。

このため、実験では基本的に観測できないと誤って考えられていました。

ハードプルーフ

この効果は光の速度よりもはるかに遅い音波でも発生するはずであることに私たちが気づくまではそうでした。軌道角運動量を伴う音波を使用して、2020 年に実験で初めてゼルドビッチ増幅を示しました。

効果が 1 つのシステムに存在することを示した後、電磁バージョンは結局のところそれほど難しくないのではないかと考えました。私たちは、自由空間ではなく共振回路に電磁波を閉じ込めることによって、以前の制限を取り除くことができました。私たちの単一回路内の振動波には軌道角運動量はありませんでしたが、「スピン」と呼ばれる別の種類の角運動量が含まれていました。

この回路を使用すると、回転するアルミニウムのシリンダーを配置した小さな領域を通して、波の振動する磁性部分を集中させることができます。次に、回路内の動力がシリンダーの回転速度に応じてどのように変化するかを測定しました。シリンダーが磁場を吸収している場合、回路内で通常の正の抵抗として機能し、電力を消耗します。それが場を増幅している場合、それは負性抵抗として、つまり電源として機能します。

私たちは、円柱による場の増幅がゼルドビッチの状態によって予測されたとおりであることを発見しました。これは、電磁波における影響を初めて証明したことを意味します。

この実験を試してみると、予想外のことも分かりました。このシリンダーが十分に速く回転するときに負性抵抗を生成し、周囲の回路を増幅する方法は、風力タービンがエネルギーを生成する方法と非常によく似ています。

風力タービンの内部には誘導発電機があり、ローターの周囲に回転磁場を生成するために交流電流が送られます。そして、ローターブレードが周囲の回転磁場よりも速く回転すると、電流が増幅され、エネルギーが発生します。

現代の誘導発電機には他の物理学も関係していますが、電磁気によるゼルドビッチ効果を証明するためのすべての要素が長い間、ありふれた場所に隠されていたことは依然として驚くべきことです。

私たちが発見した誘導発電機とのこのつながりにより、モーターと発電機の技術を向上させるために費やされた長年のエンジニアリングに頼って、ゼルドビッチ効果をさらにテストするためにこれらの電磁実験を最適化できるようになります。

おそらく、ゼルドビッチ効果とのこの関連性に関する知識は、逆方向にも進み、エネルギー生成に活用するための新しい物理学の視点をエンジニアに提供するでしょう。

この実験は、ゼルドビッチ効果が電磁気学に存在することを示しており、その効果を量子レベルで確認できる可能性も解き放ちます。量子理論は、空の空間は空ではなく、ある程度の変動があることを教えてくれます。

増幅効果は、そのようなエネルギー変動を実際の光子に増幅し、量子場から物質を生成することもできるはずです。これは、他のすべての力がない場合でも、回転シリンダーはこのプロセスにより徐々に速度が低下することを意味します。

ブラックホールに関しては、その影響は興味深いものです。おそらく将来的には、ブラックホールの回転を利用してテクノロジーや宇宙船に動力を供給できるようになるかもしれません。

「ブラックホール爆弾」と呼ばれる暴走エネルギー生成効果を生み出す条件を提案する人もいます。実験を改良して、ゼルドビッチ効果についてもこの暴走増幅をテストしたいと考えています。

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