Процесс Пенроуза (также называемый механизмом Пенроуза ) теоретизирует сэр Роджер Пенроуз как средство, с помощью которого можно извлечь энергию из вращающейся черной дыры . [1] [2] [3] В этом процессе используется эргосфера — область пространства-времени вокруг черной дыры, вращающаяся быстрее скорости света . Это означает, что с точки зрения внешнего наблюдателя любая материя внутри вынужден двигаться в направлении вращения черной дыры. [4]
При этом рабочее тело падает (черная жирная линия на рисунке) в эргосферу (серая область). В самой нижней точке (красная точка) корпус выпускает порох назад; однако дальнему наблюдателю кажется, что оба продолжают двигаться вперед из-за перетаскивания кадра (хотя и с разной скоростью). Замедлившееся топливо падает (тонкая серая линия) на горизонт событий черной дыры (черный диск). Остатки тела, разогнавшись, улетают (тонкая черная линия) с избытком энергии (что с лихвой компенсирует потери пороха и энергии, затраченной на его выстрел).
Максимальный выигрыш энергии, возможный при распаде отдельной частицы в результате исходного (или классического) процесса Пенроуза, составляет 20,7% ее массы в случае незаряженной черной дыры (при условии максимального вращения черной дыры в лучшем случае). [5] Энергия берется из вращения черной дыры, поэтому существует предел того, сколько энергии можно извлечь с помощью процесса Пенроуза и подобных стратегий (для незаряженной черной дыры не более 29% ее первоначальной массы; [ 6] большая эффективность возможна для заряженных вращающихся черных дыр [7] ).
Внешняя поверхность эргосферы — это поверхность, на которой свет, движущийся в направлении, противоположном вращению черной дыры, по мнению внешнего наблюдателя, остается в фиксированной угловой координате. Поскольку массивные частицы обязательно движутся медленнее света, они обязательно будут двигаться вместе с вращением черной дыры. Внутренняя граница эргосферы — это горизонт событий, пространственный периметр, за пределы которого свет не может выйти.
Внутри эргосферы даже свет не может успевать за вращением черной дыры, поскольку траектории стационарных (с внешней точки зрения) объектов становятся пространственно-подобными, а не времени-подобными (как это было бы в обычной материи) или светоподобными. . Математически компонента метрики dt 2 меняет знак внутри эргосферы. Это позволяет материи иметь отрицательную энергию внутри эргосферы, пока она движется против вращения черной дыры достаточно быстро (или, с внешней точки зрения, в достаточной степени сопротивляется утаскиванию). Механизм Пенроуза использует это, ныряя в эргосферу, сбрасывая объект, которому была дана отрицательная энергия, и возвращаясь с большей энергией, чем раньше.
Таким образом, энергия вращения извлекается из черной дыры, в результате чего черная дыра раскручивается до более низкой скорости вращения. Максимальное количество энергии (на массу брошенного объекта) извлекается, если черная дыра вращается с максимальной скоростью, объект просто касается горизонта событий и распадается на движущиеся вперед и назад пакеты света (первый вылетает из черной дыры). отверстие, второй попадает внутрь). [5]
В рамках дополнительного процесса черную дыру можно раскрутить (увеличить скорость ее вращения), отправив в нее частицы, которые не распадаются, а вместо этого отдают весь свой угловой момент черной дыре. Однако это не противоположность процессу Пенроуза, поскольку оба увеличивают энтропию черной дыры, выбрасывая в нее материал.