Kara deliklerden güç çıkarma teorisi laboratuvarda canlandırıldı

0

BEĞENDİM

ABONE OL

News

0

Bilim insanları dönen kara deliklerin etrafından güç elde edilebileceğini öne süren onlarca yıllık fizik teorisini laboratuvar ortamında yine üretti. Fizikî olarak dönmeyen özel bir elektronik düzenek, elektromanyetik dalgalara ışık suratını aşan düzeylerde dönüyormuş üzere davranarak belli dalgaların sistemden güç çekmesini ve güçlenmesini sağladı.

İngiliz fizikçi Roger Penrose, 1969 yılında aşırı süratle dönen bir kara delikten güç çıkarılabileceğini ortaya koydu. Penrose sürecinde bir parçacık, dönen kara deliğin uzay-zamanı kendi etrafında sürüklediği ergosfer bölgesine giriyor ve iki kesime ayrılıyor. Modüllerden biri kara deliğin içine düşerken oburu, başlangıçtaki parçacıktan daha fazla güç taşıyarak bölgeden kaçabiliyor. Fazladan güç direkt kara deliğin dönüş gücünden geliyor.

Sovyet fizikçi Yakov Zel’dovich daha sonra tıpkı temel prensibin sırf parçacıklarla hudutlu olmadığını gösterdi. Gereğince süratli dönen bir cisimle etkileşime giren elektromanyetik dalgaların cismin dönüş gücünden yararlanarak güçlenebileceğini hesapladı.

Dönüş suratı makul bir eşiği geçtiğinde dalganın cisimden yansıdıktan sonra başlangıçtakinden daha yüksek güce sahip olması mümkün hale geliyor. Bu süreç fizik literatüründe dönel üstün ışıma yahut rotasyonel süperradyans ismiyle biliniyor.

Bu teorinin direkt deneylerle incelenmesi uzun müddet önemli bir teknik mahzurla karşılaştı. Elektromanyetik dalgaların ölçülebilir ölçüde güçlenmesi için gereken dönüş suratlarına mekanik sistemlerle ulaşmak son derece güç.

Fiziksel bir objeyi bu düzeylerde döndürmek; materyal dayanıklılığı, sürtünme, titreşim ve güç kaybı üzere meseleler sebebiyle laboratuvar ortamında uygulanabilir bir metot sunmuyor. Evvelki çalışmalarda dönen akışkanlar, elektromanyetik alanlar ve foton süperakışkanları kullanılarak emsal süreçler araştırıldı fakat aşırı dönüş rejimlerine erişim sonlu kaldı.

CUNY Graduate Center bünyesindeki Advanced Science Research Center araştırmacıları, fizikî olarak dönen bir obje kullanmak yerine uzay ve vakit içinde değişen özelliklere sahip bir radyo frekansı devresi geliştirdi.

Düzenek, halka biçiminde birbirine bağlanan elektronik rezonatörlerden oluşuyor. Rezonatörlerin özellikleri makul bir zamanlama sırasıyla ve yüksek süratte değiştirildiğinde halka etrafında ilerleyen yapay bir hareket deseni oluşuyor.

Halka devrenin hiçbir modülü fizikî olarak hareket etmese de devreye gönderilen elektromanyetik dalgalar, ilerleyen bu desen sebebiyle dönen bir ortamla etkileşime giriyormuş üzere davranıyor.

Araştırmacılar, vakit içinde periyodik olarak değiştirilen sistemlerde ortaya çıkan Floquet fiziğinden yararlanarak mekanik sonların çok ötesinde sentetik dönüş suratları oluşturdu. Floquet yolu, sistemin özelliklerini muhakkak aralıklarla değiştirerek sabit bir yapının hareketli bir ortamın fizikî özelliklerini taklit etmesini sağlıyor.

Deney sırasında sırf uygun dönüş yönüne ve açısal momentum özelliklerine sahip dalgalar sistemden güç çekebildi. Seçilen dalgalar halka devreyle etkileşime girdikten sonra daha yüksek genlikle dışarı çıktı. Aksi yönde dönen yahut gerekli açısal momentum şartlarını karşılamayan dalgalarda birebir güçlenme görülmedi. Böylelikle Penrose ve Zel’dovich tarafından tanımlanan güç transferinin temel fizikî sistemi, fizikî olarak dönmeyen bir elektronik sistem içinde deneysel olarak üretildi.

Sentetik dönüşün aktif suratı ışık suratının üzerine çıkarıldığında sistemin uzay-zaman kristali yapısında açısal momentuma bağlı güç aralıkları oluştu. Bu aralıklarda gerçekleşen parametrik süreçler, harici olarak vakitle değiştirilen devreden elektromanyetik dalgalara güç aktarılmasını sağladı.

Araştırmada kayıp ve çıkar düzeneklerinin birlikte bulunduğu Hermit olmayan dinamikler de güçlendirme sürecinin denetim edilmesinde rol oynadı. Deneyde gözlenen Floquet dönel muhteşem ışıma, makul bir spektral bant içinde açısal momentuma bağlı dalga güçlendirmesi sundu.

Burada ışık suratını aşan şey fizikî bir obje, güç yahut bilgi değil, halka etrafında oluşturulan yapay değişim deseni. Rezonatörler yerlerinde sabit kalırken elektronik özelliklerinin sıralı biçimde değiştirilmesi, dalgaların sistemde aşırı süratli bir dönüş varmış üzere reaksiyon vermesine sebep oluyor. Bu yöntem, gök cisimlerinde yahut mekanik düzeneklerde direkt erişilemeyen dönüş suratlarının denetimli laboratuvar şartlarında incelenmesine imkân veriyor.

Geliştirilen sistem sırf kara delik fiziğinin benzetimini gerçekleştiren bir deney düzeneği olarak kullanılmayacak. Dalgaların dönüş yönüne ve açısal momentumuna nazaran seçilip güçlendirilmesi; kablosuz irtibat sistemlerinde sinyal yönlendirme, parazit azaltma, tek yönlü dalga transferi ve yeni amplifikatör dizaynları için kullanılabilecek. Tıpkı prensiplerin optik ve fotonik sistemlere aktarılmasıyla ışığın frekansı, yönü ve açısal momentumu üzerinde daha detaylı denetim kurulabilecek.

Çalışmanın sonraki basamaklarında sentetik dönüş yaklaşımının fotonik ve kuantum platformlarına uyarlanması planlanıyor. Bu sistemler ışığın işlenmesi, kuantum bilgilerinin denetim edilmesi ve aşırı astrofizik ortamlarından esinlenen dalga olaylarının incelenmesinde kullanılabilecek. Teknolojinin pratik irtibat ve optik sistemlere taşınabilmesi için devrenin farklı frekanslara uyarlanması, küçültülmesi ve daha karmaşık dalga yapılarıyla çalışacak biçimde geliştirilmesi gerekiyor.

Araştırmada Hadiseh Nasari ve Hady Moussa eşit katkı sağlayan esas müellifler olarak yer aldı. Takıma Yoshiaki Kasahara, Arno Thielens ve projenin yürütücüsü Andrea Alù katıldı. Devrenin tasarımı, sayısal simülasyonlar ve ölçümler Nasari tarafından yürütülürken devrenin üretimini Kasahara gerçekleştirdi. Çalışma ABD Savunma Bakanlığı, ABD Ulusal Bilim Vakfı, Air Force Office of Scientific Research, BARI programı ve Simons Foundation tarafından desteklendi.