Войти
Процесс Пенроуза (также называемый Механизм Пенроуза ) теоретически обоснован Роджером Пенроузом как средство извлечения энергии из вращающейся черной дыры. Такое извлечение может произойти, если вращательная энергия черной дыры расположена не внутри горизонта событий, а за пределами области пространства-времени Керра, называемой эргосферой в в котором любая частица обязательно движется в локомотивном режиме с вращающимся пространством-временем. Все объекты в эргосфере увлекаются вращающимся пространством-временем.
. При этом кусок материи, попадающий в эргосферу, разделяется на две части. Например, материя может состоять из двух частей, которые разделяются путем выстрела взрывчатого вещества или ракеты, которая раздвигает ее половинки. Импульс двух частей материи, когда они разделяются, можно организовать так, чтобы одна часть ускользнула из черной дыры (она «ускользнула в бесконечность»), а другая упала за горизонт событий в черную дыру. При тщательном размещении у убегающей части материи может быть большая масса-энергия, чем у исходной части материи, а падающая часть получает отрицательную массу-энергию. Хотя импульс сохраняется, эффект заключается в том, что может быть извлечено больше энергии, чем было предусмотрено изначально, причем разница обеспечивается самой черной дырой.
Таким образом, процесс приводит к небольшому уменьшению углового момента черной дыры, что соответствует передаче энергии материи. Потерянный импульс преобразуется в извлеченную энергию.
Максимальный выигрыш энергии, возможный для отдельной частицы с помощью этого процесса, составляет 20,7% в случае незаряженной черной дыры. Процесс подчиняется законам механики черных дыр. Следствием этих законов является то, что, если процесс повторяется многократно, черная дыра может в конечном итоге потерять весь свой угловой момент и стать невращающейся, то есть черной дырой Шварцшильда. В этом случае теоретическая максимальная энергия, которую можно извлечь из незаряженной черной дыры, составляет 29% от ее первоначальной массы. Более высокая эффективность возможна для заряженных вращающихся черных дыр.
В 1971 году физик-теоретик Яков Зельдович перевел эту идею вращательного сверхизлучения с вращающейся черной дыры на идею вращающегося поглотителя, такого как металлический цилиндр, и этот механизм был экспериментально подтвержден в 2020 году в случае акустических волн.
Внешняя поверхность эргосферы описывается как эргоповерхность, и это поверхность, на которой световые лучи, вращающиеся в противоположных направлениях (относительно вращения черной дыры), остаются на фиксированном уровне. угловая координата, по мнению внешнего наблюдателя. Поскольку массивные частицы обязательно движутся медленнее скорости света, массивные частицы обязательно будут вращаться относительно неподвижного наблюдателя «на бесконечности». Чтобы изобразить это, поверните вилку на плоской льняной простыне; когда вилка вращается, белье закручивается вместе с ней, то есть внутреннее вращение распространяется наружу, что приводит к искажению более широкой области. Внутренняя граница эргосферы - это горизонт событий, этот горизонт событий является пространственным периметром, за пределы которого свет не может выйти.
Внутри этой эргосферы время и одна из угловых координат меняют значение (время становится углом, а угол становится временем), потому что времениподобные координаты имеют только одно направление (частица вращается вместе с черной дырой только в одном направлении.). Из-за этого необычного обмена координатами энергия частицы может принимать как положительные, так и отрицательные значения, измеренные наблюдателем на бесконечности.
Если частица A входит в эргосферу черной дыры Керра, затем распадается на частицы B и C, то последствия (с учетом предположения, что закон сохранения энергии все еще сохраняется, и одна из частиц может иметь отрицательную энергию) будет заключаться в том, что частица B может покинуть эргосферу с большей энергией, чем частица A, в то время как частица C войдет в черную дыру, то есть E A = E B + E C и, скажем, E C< 0, then EB>EA.
. Таким образом, энергия вращения извлекается из черной дыры, в результате чего черная дыра раскручивается до более низкой скорости вращения. Максимальное количество энергии извлекается, если разделение происходит сразу за горизонтом событий и если частица C вращается в противоположных направлениях в максимально возможной степени.
В обратном процессе черная дыра может быть раскручена (ее скорость вращения увеличена) путем отправки частиц, которые не разделяются, а вместо этого передают весь свой угловой момент черной дыре.
