В астрофизике эргосфера — это область, расположенная за пределами внешнего горизонта событий вращающейся черной дыры . Ее название было предложено Ремо Руффини и Джоном Арчибальдом Уилером во время лекций в Лез-Уше в 1971 году и происходит от древнегреческого ἔργον (ergon) «работа». Она получила это название, потому что теоретически возможно извлечь энергию и массу из этой области. Эргосфера касается горизонта событий на полюсах вращающейся черной дыры и простирается до большего радиуса на экваторе. Черная дыра со скромным угловым моментом имеет эргосферу с формой, приближенной к сплющенному сфероиду , в то время как более быстрые вращения создают более тыквовидную эргосферу. Экваториальный (максимальный) радиус эргосферы — это радиус Шварцшильда , радиус невращающейся черной дыры. Полярный (минимальный) радиус также является полярным (минимальным) радиусом горизонта событий, который может составлять всего лишь половину радиуса Шварцшильда для максимально вращающейся черной дыры. [2]
Когда черная дыра вращается, она искривляет пространство-время в направлении вращения со скоростью, которая уменьшается с расстоянием от горизонта событий. [3] Этот процесс известен как эффект Лензе-Тирринга или перетаскивание кадра . [4] Из-за этого эффекта перетаскивания объект внутри эргосферы не может казаться неподвижным по отношению к внешнему наблюдателю на большом расстоянии, если только этот объект не будет двигаться быстрее скорости света (что невозможно) по отношению к локальному пространству-времени. Скорость, необходимая для того, чтобы такой объект казался неподвижным, уменьшается в точках, более удаленных от горизонта событий, пока на некотором расстоянии требуемая скорость не станет пренебрежимо малой.
Набор всех таких точек определяет поверхность эргосферы, называемую эргоповерхностью . Внешняя поверхность эргосферы называется статической поверхностью или статическим пределом . Это происходит потому, что мировые линии изменяются от времениподобных за пределами статического предела к пространствуподобным внутри него. [5] Именно скорость света произвольно определяет поверхность эргосферы. Такая поверхность будет выглядеть как сплющенная, совпадающая с горизонтом событий на полюсе вращения, но на большем расстоянии от горизонта событий на экваторе. За пределами этой поверхности пространство все еще увлекается, но с меньшей скоростью. [ требуется цитата ]
Подвешенный груз , удерживаемый неподвижно вне эргосферы, будет испытывать бесконечное/расходящееся радиальное притяжение по мере приближения к статическому пределу. В какой-то момент он начнет падать, что приведет к гравитационно-индуцированному движению по направлению вращения. Следствием этого увлечения пространства является существование отрицательных энергий внутри эргосферы.
Поскольку эргосфера находится за пределами горизонта событий, все еще возможно, что объекты, которые входят в эту область с достаточной скоростью, вырвутся из гравитационного притяжения черной дыры. Объект может получить энергию, войдя во вращение черной дыры, а затем вырваться из нее, таким образом забрав с собой часть энергии черной дыры (что делает маневр похожим на использование эффекта Оберта вокруг «нормальных» космических объектов).
Этот процесс удаления энергии из вращающейся черной дыры был предложен математиком Роджером Пенроузом в 1969 году и называется процессом Пенроуза . [6] Максимальное количество энергии, возможное для одной частицы посредством этого процесса, составляет 20,7% с точки зрения ее эквивалентной массы, [7] и если этот процесс повторяется той же массой, теоретический максимальный прирост энергии приближается к 29% от ее первоначального эквивалента массы-энергии. [8] По мере удаления этой энергии черная дыра теряет угловой момент, и, таким образом, предел нулевого вращения приближается, поскольку увлечение пространства-времени уменьшается [ необходима цитата ] . В пределе эргосфера больше не существует. Этот процесс считается возможным объяснением источника энергии таких энергетических явлений, как гамма-всплески . [9] Результаты компьютерных моделей показывают, что процесс Пенроуза способен производить частицы высокой энергии, которые, как наблюдается, испускаются квазарами и другими активными ядрами галактик. [10]
Размер эргосферы, расстояние между эргоповерхностью и горизонтом событий, не обязательно пропорционален радиусу горизонта событий, а скорее гравитации черной дыры и ее угловому моменту. Точка на полюсах не движется и, таким образом, не имеет углового момента, в то время как на экваторе точка будет иметь свой наибольший угловой момент. Это изменение углового момента, которое простирается от полюсов к экватору, и есть то, что придает эргосфере ее сплющенную форму. По мере увеличения массы черной дыры или скорости ее вращения размер эргосферы также увеличивается. [11]
