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宇宙天文：我們能利用黑洞的能量嗎？
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宇宙天文：我們能利用黑洞的能量嗎？
接近視界的等離子體即將被旋轉的黑洞吞噬。圖源：Classical And Quantum Gravity，2015
愛因斯坦的廣義相對論（就是那個統一了空間、時間與引力的理論）預言：旋轉的黑洞擁有龐大的能量可供利用。
在過去的50年裏，科學家們一直試圖找到釋放這種能量的方法。諾貝爾獎得主，物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）就提出過粒子崩解（particle disintegration）這一從黑洞中汲取能量的理論；斯蒂芬·霍金也曾提出，黑洞可以通過量子力學機製釋放能量；羅傑·布蘭德福德（Roger Blandford）和羅曼·茲納傑克（Roman Znajek）指出，電磁轉矩（electromagnetic torque）或能成為能量提取的主要來源。
現在，在發表在《物理評論D》雜誌上的一項研究中，哥倫比亞大學的物理學家Luca Comisso和伊巴內茲大學的Felipe Asenjo發現了一種從黑洞中提取能量的新方法，這種方法需要打破並重新連接視界（event horizon一個連光都逃脫不了黑洞引力的臨界點）附近的磁力線。
“黑洞周圍通常盛滿了帶有磁場的等離子體粒子（plasma particles）‘熱湯’” ，哥倫比亞大學科學家、本項研究的第一作者Luca Comisso說。
圖片來源：Pixabay
“我們的理論表明，當磁力線以某種方式斷開和重新連接時，它們可以加速等離子體粒子，使其產生負能量，從而提供大量黑洞能量。”
Comisso提到，這一發現可以讓天文學家更好地估量黑洞的自旋，驅動黑洞的能量釋放，甚至可能為先進文明提供一種新的能量來源。
Comisso和Asenjo的理論有一個前提，那就是重新連接磁場會導致等離子體粒子朝不同方向加速。一股等離子體流（plasma flow）逆著黑洞自旋方向前進，另一股則順著黑洞自旋方向加速，並最終脫離黑洞的魔爪，當有負能量的等離子體被黑洞吞噬時，能量會從黑洞中釋放出來。
“這就像一個人可以通過吃含有負熱量的糖果來減肥，” Comisso解釋說，“黑洞吃負能量粒子會導致能量損失的說法聽起來很奇怪，但它的確可能發生在一個稱為能層（ergosphere）的區域，在那裏時空連續體（spacetime continuum）旋轉得如此之快，以至於每個物體的旋轉方向都與黑洞相同。”
圖片來源：Pixabay
在能層內部，磁場重聯（magnetic reconnection）是如此的極端以至於等離子體粒子被加速到接近光速。
Asenjo是阿道夫伊巴涅斯大學的物理學教授，也是這項研究的合著者，他解釋說，被捕獲的和在逃逸的等離子體流之間的相對速度差得很多，使得過程中能從黑洞提取大量能量。
“我們計算出，等離子體充能的能效可以達到150%，遠高於地球上任何運行的發電廠。” Asenjo提到，“達到100%以上的效率是可能的，因為黑洞會泄漏能量，這些能量會免費贈送給從黑洞逃逸出來的等離子體。”
Comisso和Asenjo設想的過程可能已經在大量黑洞中上演。這可能是驅動黑洞耀斑（black hole flares）爆發的原因——從地球上可以探測到這些強大的輻射爆發。
“要是我們對黑洞附近如何發生磁場重聯能有更多了解，將對指導未來望遠鏡對黑洞的觀測起到重要作用，例如使用事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）進行觀測。” Asenjo說。
雖然這聽起來像科幻小說中的橋段，但從黑洞中開采能源可能是解決我們未來能源需求的答案。
Comisso說：“幾千年或幾百萬年後，人類也許能夠在黑洞周圍生存，而不需要利用恒星的能量。這本質上是一個技術問題。如果我們了解物理，就沒有什麽能阻止我們。”
這項名為“磁場重聯作為從旋轉黑洞中提取能量的機製”的研究由國家科學基金會（NSF）宇宙之窗計劃、美國宇航局和智利國家科技發展基金資助。
美國國家科學基金會的項目主管Vyacheslav（Slava） Lukin說，國家科學基金會的目標是促進基於前沿觀測的新理論努力，將理論物理學和觀測天文學創新性地結合在一起。
Lukin說：“我們期待著將看似深奧的黑洞天體物理學轉化到可操作領域。”
作者：Carla Cantor，哥倫比亞大學
翻譯：焦傲
審校：張和持
引進來源：物理學家組織網
引進鏈接：https://phys.org/news/2021-01-harness-energy-black-holes.html
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接近視界的等離子體即將被旋轉的黑洞吞噬。圖源：Classical And Quantum Gravity，2015
愛因斯坦的廣義相對論（就是那個統一了空間、時間與引力的理論）預言：旋轉的黑洞擁有龐大的能量可供利用。
在過去的50年裏，科學家們一直試圖找到釋放這種能量的方法。諾貝爾獎得主，物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）就提出過粒子崩解（particle disintegration）這一從黑洞中汲取能量的理論；斯蒂芬·霍金也曾提出，黑洞可以通過量子力學機製釋放能量；羅傑·布蘭德福德（Roger Blandford）和羅曼·茲納傑克（Roman Znajek）指出，電磁轉矩（electromagnetic torque）或能成為能量提取的主要來源。
現在，在發表在《物理評論D》雜誌上的一項研究中，哥倫比亞大學的物理學家Luca Comisso和伊巴內茲大學的Felipe Asenjo發現了一種從黑洞中提取能量的新方法，這種方法需要打破並重新連接視界（event horizon一個連光都逃脫不了黑洞引力的臨界點）附近的磁力線。
“黑洞周圍通常盛滿了帶有磁場的等離子體粒子（plasma particles）‘熱湯’” ，哥倫比亞大學科學家、本項研究的第一作者Luca Comisso說。
圖片來源：Pixabay
“我們的理論表明，當磁力線以某種方式斷開和重新連接時，它們可以加速等離子體粒子，使其產生負能量，從而提供大量黑洞能量。”
Comisso提到，這一發現可以讓天文學家更好地估量黑洞的自旋，驅動黑洞的能量釋放，甚至可能為先進文明提供一種新的能量來源。
Comisso和Asenjo的理論有一個前提，那就是重新連接磁場會導致等離子體粒子朝不同方向加速。一股等離子體流（plasma flow）逆著黑洞自旋方向前進，另一股則順著黑洞自旋方向加速，並最終脫離黑洞的魔爪，當有負能量的等離子體被黑洞吞噬時，能量會從黑洞中釋放出來。
“這就像一個人可以通過吃含有負熱量的糖果來減肥，” Comisso解釋說，“黑洞吃負能量粒子會導致能量損失的說法聽起來很奇怪，但它的確可能發生在一個稱為能層（ergosphere）的區域，在那裏時空連續體（spacetime continuum）旋轉得如此之快，以至於每個物體的旋轉方向都與黑洞相同。”
圖片來源：Pixabay
在能層內部，磁場重聯（magnetic reconnection）是如此的極端以至於等離子體粒子被加速到接近光速。
Asenjo是阿道夫伊巴涅斯大學的物理學教授，也是這項研究的合著者，他解釋說，被捕獲的和在逃逸的等離子體流之間的相對速度差得很多，使得過程中能從黑洞提取大量能量。
“我們計算出，等離子體充能的能效可以達到150%，遠高於地球上任何運行的發電廠。” Asenjo提到，“達到100%以上的效率是可能的，因為黑洞會泄漏能量，這些能量會免費贈送給從黑洞逃逸出來的等離子體。”
Comisso和Asenjo設想的過程可能已經在大量黑洞中上演。這可能是驅動黑洞耀斑（black hole flares）爆發的原因——從地球上可以探測到這些強大的輻射爆發。
“要是我們對黑洞附近如何發生磁場重聯能有更多了解，將對指導未來望遠鏡對黑洞的觀測起到重要作用，例如使用事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）進行觀測。” Asenjo說。
雖然這聽起來像科幻小說中的橋段，但從黑洞中開采能源可能是解決我們未來能源需求的答案。
Comisso說：“幾千年或幾百萬年後，人類也許能夠在黑洞周圍生存，而不需要利用恒星的能量。這本質上是一個技術問題。如果我們了解物理，就沒有什麽能阻止我們。”
這項名為“磁場重聯作為從旋轉黑洞中提取能量的機製”的研究由國家科學基金會（NSF）宇宙之窗計劃、美國宇航局和智利國家科技發展基金資助。
美國國家科學基金會的項目主管Vyacheslav（Slava） Lukin說，國家科學基金會的目標是促進基於前沿觀測的新理論努力，將理論物理學和觀測天文學創新性地結合在一起。
Lukin說：“我們期待著將看似深奧的黑洞天體物理學轉化到可操作領域。”
作者：Carla Cantor，哥倫比亞大學
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