Robert Klatt
Außerirdische könnten laut einer Theorie von 1969 ein Schwarzes Loch als Energiequelle nutzen. Nun wurde die Theorie erstmals experimentell bewiesen.
Glasgow (Schottland). Der Physiker Roger Penrose postulierte 1969 eine Theorie, laut der es möglich ist, Energie aus einem Schwarzen Loch zu gewinnen, indem man ein Objekt in dessen Ergosphäre absenkt. Um in der Ergosphäre, der äußeren Schicht des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs, zu bleiben, müsste das Objekt sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Laut Penrose würde das Objekt in diesem Raumabschnitt eine negative Energie annehmen.
Die Teilung des Objekts, bei der eine Hälfte in das Schwarze Loch fällt und die andere zurückgeholt wird, würde einen Rückstoß verursachen, bei dem aus der zurückgewonnene Hälfte Energie gewonnen werden könnte, die aus der Rotation des Schwarzen Lochs stammt. Penrose ging davon aus, dass die komplexe Art der Energiegewinnung nur von hoch entwickelten Außerirdischen genutzt werden könnte.
Der Physiker Jakow Sel’dowitsch erdachte zwei Jahre später ein Experiment, mit dem die Theorie überprüft werden könnte. Er vermutete, dass verdrehte Lichtwellen, die auf die Oberfläche eines sich mit genau der richtigen Geschwindigkeit drehenden Metallzylinders treffen, letztlich mit zusätzlicher Energie reflektiert würden, die durch eine Eigenart des rotatorischen Dopplereffekts aus der Rotation des Zylinders extrahiert wird.
Allerdings blieb Sel’dowitschs Konzept seit 1971 rein theoretisch, da sein vorgeschlagener Metallzylinder für die Durchführung des Experiments mindestens eine Milliarde Mal pro Sekunde rotieren müsste.
Nun haben Forscher der University of Glasgow (Glas) um Marion Cromb die These von Penrose erstmals experimentell überprüft. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature Physics nutzten sie statt dafür Schall statt Licht, also ein Quelle mit viel niedrigerer Frequenz, die deutlich einfacher im Labor verwendet werden kann.
Das Experimente nutzt einen kleinen Lautsprecherring, der eine in den Schallwellen erzeugt. Diese entspricht der von Sel’dowitsch vorgeschlagenen Drehung der Lichtwellen. Diese gedrehten Schallwellen wurden auf einen drehbaren Schallabsorber gerichtet, der aus einer Schaumstoffdisk bestand. Ein Satz Mikrofone hinter der Scheibe nahm den Schall der Lautsprecher auf, als er durch die Scheibe hindurchging, welche ihre Drehgeschwindigkeit stetig erhöhte.
Die Physiker suchten nach einer charakteristischen Veränderung in Frequenz und Amplitude der Schallwellen, während sie durch die Scheibe reisten, um zu wissen, dass die Theorien von Penrose und Sel’dowitsch korrekt waren. Diese Veränderungen wurden durch eine Eigenheit des Dopplereffekts verursacht.
„Die lineare Version des Dopplereffekts ist den meisten Menschen bekannt als das Phänomen, das auftritt, wenn die Tonhöhe einer Krankenwagen-Sirene zu steigen scheint, während sie sich dem Zuhörer nähert, aber sinkt, wenn sie sich entfernt. Sie scheint zu steigen, weil die Schallwellen den Zuhörer häufiger erreichen, wenn der Krankenwagen näherkommt, und dann weniger häufig, wenn er vorbeifährt.“
Die Effekte des rotatorische Dopplereffekts sind laut Cromb ähnlich.
„Der rotatorische Dopplereffekt ist ähnlich, jedoch ist der Effekt auf einen kreisförmigen Raum beschränkt. Die verdrehten Schallwellen ändern ihre Tonhöhe, wenn sie aus der Perspektive der rotierenden Oberfläche gemessen werden. Wenn die Oberfläche schnell genug rotiert, kann die Schallfrequenz etwas sehr Seltsames tun. Sie kann von einer positiven Frequenz zu einer negativen wechseln und dabei etwas Energie von der Rotation der Oberfläche entnehmen.“
Während des Experiments der Forscher steigt die Geschwindigkeit der sich drehenden Scheibe stetig an, woraufhin die Tonhöhe des von den Lautsprechern kommenden Schalls sinkt, bis sie nicht mehr hörbar ist. Danach steigt die Tonhöhe wieder an, bis sie ihre ursprüngliche Höhe erreicht, allerdings lauter, mit einer Amplitude, die bis zu 30 Prozent größer ist als der ursprüngliche Ton aus den Lautsprechern.
Es stellt sich heraus, dass die Frequenz der Schallwellen bei zunehmender Drehgeschwindigkeit auf null dopplerverschoben wird. Wenn der Ton wieder einsetzt, liegt das daran, dass die Wellen von einer positiven zu einer negativen Frequenz verschoben wurden. Diese Wellen mit negativer Frequenz sind in der Lage, einen Teil der Energie aus der drehenden Schaumstoffdisk zu entnehmen und dabei lauter zu werden, wie es Sel’dowitsch bereits 1971 vorschlug.
Nature Physics, doi: 10.1038/s41567-020-0944-3
