stringtranslate.com

процесс Пенроуза

Процесс Пенроуза (также называемый механизмом Пенроуза ) теоретически предложен сэром Роджером Пенроузом как средство, с помощью которого энергия может быть извлечена из вращающейся черной дыры . [1] [2] [3] Процесс использует преимущество эргосферы — области пространства-времени вокруг черной дыры, которая вращается быстрее скорости света , что означает, что с точки зрения внешнего наблюдателя любая материя внутри вынуждена двигаться в направлении вращения черной дыры. [4]

Траектории тел в процессе Пенроуза

При этом рабочее тело падает (черная толстая линия на рисунке) в эргосферу (серая область). В самой нижней точке (красная точка) тело выстреливает назад пропеллентом; однако для удаленного наблюдателя оба кажутся продолжающими двигаться вперед из-за перетаскивания кадра (хотя и с разной скоростью). Пропеллент, замедляясь, падает (тонкая серая линия) к горизонту событий черной дыры (черный диск). Остатки тела, разгоняясь, разлетаются (тонкая черная линия) с избытком энергии (который с лихвой компенсирует потерю пропеллента и энергии, затраченной на его выстрел).

Максимальное количество энергии, возможное для распада одной частицы посредством оригинального (или классического) процесса Пенроуза, составляет 20,7% от ее массы в случае незаряженной черной дыры (предполагая наилучший случай максимального вращения черной дыры). [5] Энергия берется из вращения черной дыры, поэтому существует ограничение на то, сколько энергии можно извлечь с помощью процесса Пенроуза и аналогичных стратегий (для незаряженной черной дыры не более 29% от ее первоначальной массы; [6] для заряженных вращающихся черных дыр возможны более высокие эффективности [7] ).

Детали эргосферы

Внешняя поверхность эргосферы — это поверхность, на которой свет, движущийся в направлении, противоположном вращению черной дыры, остается в фиксированной угловой координате, согласно внешнему наблюдателю. Поскольку массивные частицы обязательно движутся медленнее света, массивные частицы 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 поспевать за вращением черной дыры, поскольку траектории неподвижных (с внешней точки зрения) объектов становятся пространственноподобными, а не времениподобными (как это было бы у обычной материи) или светоподобными. Математически компонент dt 2 метрики меняет свой 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, сопротивляется увлекаемости в достаточной степени). Механизм Пенроуза использует это, ныряя в эргосферу, сбрасывая объект, которому была дана отрицательная энергия, и возвращаясь с большей энергией, чем прежде.

Таким образом, энергия вращения извлекается из черной дыры, в результате чего черная дыра замедляется 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 покидает черную дыру, второй падает внутрь). [5]

В дополнительном процессе черную дыру можно раскрутить (увеличить ее скорость вращения), отправив частицы, которые не расщепляются, а вместо этого отдают весь свой угловой момент черной дыре. Однако это не обратный процесс Пенроуза, поскольку оба увеличивают энтропию черной дыры, бросая в нее материал.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Пенроуз, Р.; Флойд, Р.М. (февраль 1971 г.). «Извлечение вращательной энергии из черной дыры». Nature Physical Science . 229 (6): 177–179. Bibcode : 1971NPhS..229..177P. doi : 10.1038/physci229177a0. ISSN  0300-8746.
  2. ^ Мизнер, Чарльз В .; Торн, Кип С.; Уилер , Джон Арчибальд (1973). Гравитация . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0334-1.Мизнер, Торн и Уилер, Гравитация , Freeman and Company, 1973.
  3. ^ Уильямс, РК (1995). «Извлечение рентгеновских лучей, Ύ-лучей и релятивистских пар e − e + из сверхмассивных черных дыр Керра с использованием механизма Пенроуза». Physical Review D. 51 ( 10): 5387–5427. Bibcode : 1995PhRvD..51.5387W. doi : 10.1103/PhysRevD.51.5387. PMID  10018300.
  4. ^ Cui, Yuzhu; et al. (2023). «Прецессирующее реактивное сопло, соединяющееся с вращающейся черной дырой в M87». Nature . 621 (7980): 711–715. arXiv : 2310.09015 . Bibcode :2023Natur.621..711C. doi :10.1038/s41586-023-06479-6. PMID  37758892. S2CID  263129681.
  5. ^ ab Chandrasekhar, Subrahmanyan (1983). Математическая теория черных дыр . Clarendon Press. стр. 369. Bibcode :1983mtbh.book.....C. ISBN 0-19-851291-0.
  6. ^ Кэрролл 2004, стр. 271
  7. ^ Бхат, Манджири; Дхурандхар, Санджив; Дадхич, Нареш (1985). «Энергетика черной дыры Керра-Ньюмена с помощью процесса Пенроуза». Журнал астрофизики и астрономии . 6 (2): 85–100. Bibcode : 1985JApA....6...85B. CiteSeerX 10.1.1.512.1400 . doi : 10.1007/BF02715080. S2CID  53513572. 

Дальнейшее чтение