Proces Penrose'a - Penrose process

Proces Penrose'a (zwany również mechanizmem Penrose'a ) został wymyślony przez Rogera Penrose'a jako środek, dzięki któremu energia może być wydobywana z obracającej się czarnej dziury . Ta ekstrakcja może nastąpić, jeśli energia obrotowa czarnej dziury znajduje się nie wewnątrz horyzontu zdarzeń, ale na zewnątrz, w regionie czasoprzestrzeni Kerra, zwanym ergosferą, w którym każda cząstka jest siłą rzeczy napędzana w lokomotywie współbieżnie z obracającą się czasoprzestrzenią. Wszystkie obiekty w ergosferze są ciągnięte przez obracającą się czasoprzestrzeń .

W trakcie tego procesu bryła materii wchodząca do ergosfery zostaje rozbita na dwie części. Na przykład materia może składać się z dwóch części, które rozdzielają się wystrzeliwując ładunek wybuchowy lub rakietę, która rozdziela jej połówki. Pęd dwóch kawałków materii, gdy się rozdzielają, można ustawić tak, że jeden kawałek ucieka z czarnej dziury ("ucieka w nieskończoność"), podczas gdy drugi spada poza horyzont zdarzeń do czarnej dziury. Przy starannym ułożeniu, uciekający kawałek materii może mieć większą energię masy niż oryginalny kawałek materii, a spadający kawałek ma ujemną energię masy. Chociaż pęd jest zachowywany, efekt jest taki, że można wydobyć więcej energii niż pierwotnie dostarczano, a różnicę zapewnia sama czarna dziura.

Podsumowując, proces ten powoduje nieznaczny spadek momentu pędu czarnej dziury, co odpowiada przeniesieniu energii do materii. Utrata pędu jest zamieniana na pobraną energię.

Maksymalny przyrost energii możliwy dla pojedynczej cząstki w tym procesie wynosi 20,7% w przypadku nienaładowanej czarnej dziury. Proces jest zgodny z prawami termodynamiki czarnej dziury . Konsekwencją tych praw jest to, że jeśli proces jest powtarzany, czarna dziura może w końcu stracić cały swój moment pędu, stając się nieobrotową, jako czarna dziura Schwarzschilda . W tym przypadku teoretyczna maksymalna energia, którą można wydobyć z nienaładowanej czarnej dziury, wynosi 29% jej pierwotnej masy. Większe wydajności są możliwe dla naładowanych wirujących czarnych dziur .

W 1971 roku fizyk teoretyczny Jakow Zeldowicz przetłumaczył tę ideę rotacyjnego nadpromieniowania z obracającej się czarnej dziury na obracający się absorber, taki jak metalowy cylinder, a mechanizm ten został eksperymentalnie zweryfikowany w 2020 r. w przypadku fal akustycznych .

Szczegóły ergosfery

Zewnętrzna powierzchnia ergosfery jest opisana jako ergopowierzchnia i jest to powierzchnia, na której promienie świetlne obracające się w przeciwnych kierunkach (w stosunku do rotacji czarnej dziury) pozostają pod stałą współrzędną kątową, według obserwatora zewnętrznego. Ponieważ masywne cząstki z konieczności poruszają się wolniej niż prędkość światła, masywne cząstki z konieczności będą obracać się względem nieruchomego obserwatora „w nieskończoności”. Sposobem na zobrazowanie tego jest obracanie widelcem na płaskiej pościeli; gdy widelec się obraca, płótno zostaje z nim skręcone, tj. najbardziej wewnętrzny obrót rozchodzi się na zewnątrz, powodując zniekształcenie większego obszaru. Wewnętrzną granicą ergosfery jest horyzont zdarzeń, który stanowi granicę przestrzenną, poza którą światło nie może uciec.

Wewnątrz tej ergosfery czas i jedna ze współrzędnych kątowych zamieniają się znaczeniami (czas staje się kątem, a kąt staje się czasem), ponieważ współrzędne czasopodobne mają tylko jeden kierunek (cząstka obraca się z czarną dziurą tylko w jednym kierunku). Z powodu tej niezwykłej zamiany współrzędnych energia cząstki może przyjmować zarówno dodatnie, jak i ujemne wartości, mierzone przez obserwatora w nieskończoności.

Jeśli cząstka A wejdzie w ergosferę czarnej dziury Kerra , a następnie podzieli się na cząstki B i C, to konsekwencją (przy założeniu, że zasada zachowania energii nadal obowiązuje i jedna z cząstek może mieć energię ujemną) będzie ta cząstka B może wyjść z ergosfery z większą energią niż cząstka A, podczas gdy cząstka C wchodzi do czarnej dziury, tj. E A = E B + E C i powiedz E C < 0 , a następnie E B > E A .

W ten sposób energia obrotowa jest wydobywana z czarnej dziury, co powoduje, że czarna dziura jest obracana do niższej prędkości obrotowej. Maksymalna ilość energii jest pobierana, jeśli podział następuje tuż poza horyzontem zdarzeń i jeśli cząstka C obraca się przeciwnie w największym możliwym stopniu.

W odwrotnym procesie czarną dziurę można rozkręcić (zwiększyć jej prędkość obrotową), wysyłając cząstki, które nie rozdzielają się, ale zamiast tego oddają cały swój moment pędu czarnej dziurze.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Chandrasekhar, Subrahmanyan (1999). Matematyczna teoria czarnych dziur . Wydawnictwo Uniwersytetu Oksfordzkiego . Numer ISBN 0-19-850370-9.
  • Carroll, Sean (2003). Czasoprzestrzeń i geometria: wprowadzenie do ogólnej teorii względności . Numer ISBN 0-8053-8732-3.