تیم تحقیقاتی به رهبری هندریک اولبریش(Hendrik Ulbricht)، دکترای فیزیک و استاد فیزیک در دانشگاه ساوتهمپتون و یکی از نویسندگان این مطالعه، این مجموعه آزمایشی را با استفاده از یک استوانه آلومینیومی دوار که توسط سیم‌پیچ‌های مغناطیسی احاطه شده است، ساختند.

با تقلید از شرایط پیشنهاد شده در نظریه اصلی که در ابتدا توسط یک ریاضیدان انگلیسی به نام راجر پنروز(Roger Penrose) در سال ۱۹۷۱ ارائه شد، آنها با موفقیت نشان دادند که چگونه می‌توان انرژی را از طریق فرآیندی به نام ابرتابش(superradiance) استخراج و تقویت کرد.

در فیزیک، ابردرخشندگی یا ابرتابش، اثرات افزایش درخشندگی در چندین زمینه از جمله در زمینه‌های مکانیک کوانتومی، اخترفیزیک و نسبیت است.

اگرچه این آزمایش شامل سیاه‌چاله‌های واقعی نمی‌شد، اما دانشمندان معتقدند که می‌تواند بینش‌های ارزشمندی در مورد نحوه تعامل سیاه‌چاله‌ها با بافت فضا ارائه دهد.

چالشی چند دهه‌ای

ایده «پنروز» روشی را برای استخراج انرژی از یک سیاه‌چاله در حال چرخش توصیف می‌کند. این بر اثری به نام «کشش قاب» تکیه دارد، جایی که یک جرم در حال چرخش، فضای اطراف را درهم می‌پیچد و اجرام را در امتداد چرخش خود می‌کشد.

اگرچه این اثر در نزدیکی زمین مشاهده شده است، اما بسیار کوچک است. در مقابل، «کشش قاب» در نزدیکی یک سیاهچاله بسیار قوی‌تر می‌شود. در ارگوسفر(ergosphere) که ناحیه‌ای خارج از سیاه‌چاله چرخان است که فضا-زمان توسط چرخش سیاه‌چاله به اطراف کشیده می‌شود، اجرام می‌توانند با سرعتی بیش از سرعت نور در خلأ کشیده شوند.

این نظریه توسط فیزیکدان روس‌تبار، یاکوف زلدوویچ(Yakov Zeldovich)، توسعه یافت. وی چند سال بعد پیشنهاد کرد که اگر نور با سرعتی باورنکردنی از اطراف یک استوانه فلزی در حال چرخش عبور کند، تقویت انرژی مشابهی ممکن است اتفاق بیفتد. وی همچنین پیش‌بینی کرد که اگر یک آینه بازتابنده، استوانه را احاطه کند، انرژی می‌تواند در یک حلقه بازخورد مثبت ایجاد شود.

هنگامی که این پدیده روی سیاه‌چاله‌ها اعمال می‌شود، نشان می‌دهد که یک «بمب سیاه‌چاله» می‌تواند به اندازه یک ابرنواختر انرژی آزاد کند. علاوه بر این، حتی نیازی به منبع انرژی خارجی ندارد، زیرا سیاه‌چاله نوسانات الکترومغناطیسی کوچکی را در خلأ فضا تقویت می‌کند و به طور مؤثر از نویز پس‌زمینه انرژی تولید می‌کند.

با این حال، ساخت یک جسم فیزیکی که بتواند به اندازه کافی سریع بچرخد تا با فرکانس نور مطابقت داشته باشد، غیرممکن به نظر می‌رسید و این چالش را برای دهه‌ها حل‌نشده رها کرد تا اینکه «اولبریش» و همکارانش آن را در طول قرنطینه ناشی از شیوع بیماری کووید-۱۹ در سال ۲۰۲۰ انجام دادند.

فیزیکدان دانشگاه ساوتهمپتون فاش کرد که در جستجوی یک پروژه معنادار بود که تصمیم گرفت از یک سیلندر آلومینیومی چرخان و میدان‌های مغناطیسی برای ساختن اولین نمونه اولیه و نشان دادن حلقه بازخورد «زلدوویچ» استفاده کند.

قرنطینه کووید-۱۹ جرقه یک کشف شد

در کمال تعجب، «اولبریش» سیستم تقویت انرژی واضحی را نشان داد که او را وادار کرد تا فوری گروهی را جمع کند و نسخه پیچیده‌تری از این آزمایش را توسعه دهد.

این فیزیکدان می‌گوید: من آنقدر هیجان زده بودم که در واقع می‌توان گفت در طول شیوع کووید-۱۹، این مسئله من را نجات داد.

راه‌اندازی نهایی شامل یک استوانه آلومینیومی در حال چرخش است که توسط سه لایه سیم‌پیچ فلزی احاطه شده است که میدان مغناطیسی تولید می‌کند و تقریباً با سرعتی برابر با سیلندر می‌چرخد.

در این سامانه، میدان مغناطیسی نقش نور را ایفا می‌کند، در حالی که سیم‌پیچ‌ها مانند آینه عمل می‌کنند و انرژی را به دام می‌اندازند و تقویت می‌کنند.

این گروه تحقیقاتی همانطور که «زلدوویچ» پیش‌بینی کرد، یک سیگنال مغناطیسی تقویت شده را مشاهده کرد که به طور مؤثر یک «بمب سیاه‌چاله مینیاتوری» ایجاد کرد.

این تیم همچنین دریافتند که این سامانه بدون یک میدان مغناطیسی خارجی اولیه می‌تواند به‌طور خود به خود یک سیگنال فرار از نویز پس‌زمینه تولید کند که منعکس‌کننده آن چیزی است که در یک سناریوی واقعی «بمب سیاه‌چاله» اتفاق می‌افتد.

دکتر ویتور کاردوسو(Vitor Cardoso)، فیزیکدان دانشگاه لیسبون در پرتغال توضیح داد که داشتن اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی دقیق از این فرآیند، شواهد محکمی را ارائه می‌دهد که همان پدیده باید در فیزیک سیاه‌چاله نیز رخ دهد.

اگر چه این بمب آزمایشگاهی یک مدل بی‌ضرر است، اما به فیزیکدانان فرصتی نادر برای مطالعه جزئیات ابرتابش می‌دهد. محققان بر این باورند که می‌تواند به آزمایش نظریه‌های مربوط به میدان‌های عجیب و غریب، از جمله آنهایی که تصور می‌شود با ماده تاریک مرتبط هستند، کمک کند.

کاردوسو در پایان می‌گوید: اگر میدان‌های جدیدی وجود داشته باشد، مثلاً باید شاهد انتشار امواج گرانشی از این ابر در اطراف سیاه‌چاله‌ها باشیم یا باید سیاه‌چاله‌هایی را ببینیم که به سمت پایین می‌چرخند، زیرا انرژی خود را به این ذرات جدید می‌دهند.