科学家：发现“黑洞炸弹”的制造方法

理论上，抽取黑洞能量可能会使黑洞爆炸。

一个自转的带电黑洞。Simon Tyran

黑洞是强大的引力引擎，汲取黑洞的能量也非痴人说梦。我们可以从黑洞的吸积盘和喷流中汲取热能和动能。但即使没有吸积盘和喷流，我们也可以通过所谓的“彭罗斯过程（Penrose process）”从黑洞周围的空间本身汲取能量。

进入“彭罗斯过程”的天体运行轨迹。Aleksandr Berdnikov

所谓“彭罗斯过程”，指的是物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）1971年提出的一个概念，它描述了如何利用所谓的“参考系拖曳（frame dragging）”效应从黑洞汲取自转能。

所谓“参考系拖曳”，指的是一个自转的天体会使其周围的空间发生扭曲，并导致坠向它的物体，被拖曳着，沿天体自转的方向以稍快的速度运行。科学家曾在地球附近观测到轻微的“参考系拖曳”效应。在一个自转的黑洞附近，这种效应无疑会非常强大。它会强大到在所谓黑洞周围“能层（ergosphere）”内运行的天体，以比光在自由空间中还高的速度环绕黑洞运行。

实现“彭罗斯过程”，需要一个物体进入快速自转黑洞的能层内，并向黑洞释放部分质量或辐射。其结果是黑洞会将这个物体以高于其进入能层的速度踢离黑洞。这个物体获得了额外的能量，同时黑洞的自转速度也会变慢，以保持能量的平衡。这一过程理论上最多可以将黑洞质量的20%转化成能量。这个比例是巨大的，氢聚变成氦释放出来的能量也只占其质量的大约1%。

理论物理学家从不消停。假如我们能够将黑洞质量的20%转化成能量，那么为什么不能转化得更多一些呢？最近一些科学家就试图在理论上证明，将黑洞的更多质量转化成能量是可行的。

理论上黑洞可以只用三个参数加以描述：质量、自转速度和电荷。但通常我们只能观测到黑洞的前两个特征。

膨胀的宇宙可以用爱因斯坦方程加以描述，一个带有正宇宙学常数的空旷宇宙在物理学中被称为“德西特空间（de Sitter space）”。而相应的，一个带有负宇宙学常数的宇宙，则被称为“反德西特空间（Anti-de Sitter space）”。“反德西特空间”的意义，是可以让理论学家通过数学的方法，来探索广义相对论的极限。

这一次研究人员试图考察的，是如何将一个处于“反德西特空间”中的带电荷的黑洞能量汲取出来。

这个研究其实是纯假想型的。研究人员试图通过粒子的衰变来汲取黑洞的能量，而非通过黑洞的自转。这种粒子的衰变，会产生所谓的“Bañados-Silk-West效应”。如果使用某种电磁或物理的镜面约束方法，使粒子在黑洞的事件视界附近反复跳跃，它们就可以持续地吸能；而一旦它们衰变，我们就能收获来自黑洞的能量。

这个设想中存在的唯一问题是，这种效应可能会失控，导致粒子能被逐级放大，使整个黑洞变成一枚巨大的“炸弹”。

有趣的是研究人员发现，如果将一个带电的黑洞放置在空旷的“反德西德空间”中，我们也能从中汲取能量。与之前的情况不同的是，时空结构本身可以起到某种约束作用。而这会导致黑洞自行释放能量。这有点类似于正常宇宙中的“霍金辐射”，但它并不依赖量子引力。在这种情况下，黑洞不会变成“炸弹”。

需要指出的是，这些研究都是纯理论的。“彭罗斯过程”依然是我们汲取黑洞能量的最现实方式。但通过这样的理论研究，我们可以对时空的本性有更好理解。至少我们现在知道了，即使在一个奇异的反宇宙中，黑洞依然会随着时间的推移缓慢释放能量。

“反德西特空间”示意图。Alex Dunkel

参考
Penrose process in Reissner-Nordström-AdS black hole spacetimes: Black hole energy factories and black hole bombs
https://dx.doi.org/10.48550/arxiv.2401.13039