Кіріспе
Айналмалы қара тесіктерден энергияны алудың гипотетикалық механизмі. Пенроуз процесі (сондай-ақ Пенроуз механизмі деп аталады) – Сэр Роджер Пенроуз ұсынған, айналмалы қара тесіктен энергияны алуға мүмкіндік беретін теориялық құрал. Бұл процесс эргосфераны пайдаланады – қара тесіктің айналуының әсерінен жарық жылдамдығынан да жылдам сүйреліп, тартылатын қара тесік маңындағы кеңістік-уақыт аймағы. Яғни, сыртқы бақылаушының тұрғысынан қарағанда, эргосфера ішіндегі кез келген материя қара тесіктің айналу бағытында қозғалуға мәжбүр. Процесте жұмыс істейтін дене (суреттегі қара, қалың сызық) эргосфераға (сұр аймаққа) түседі. Ең төменгі нүктесінде (қызыл нүкте) дене кернеуші затты кері бағытта атып жібереді. Алайда, алыстағы бақылаушыға олар екеуі де кадрдың сүйрелуіне байланысты алға жылжуды жалғастыра береді (әрине, әртүрлі жылдамдықпен). Кернеуші заттың жылдамдығы төмендеп, қара тесіктің оқиғалар горизонтына (қара диск) түседі (ақшыл сұр, жіңішке сызық). Дененің қалдықтары жылдамдап, энергияның артық бөлігімен (кернеуші заттың жоғалуын және оны атуға кеткен энергияны толығымен өтестіретіндей) ұшып кетеді (қара, жіңішке сызық). Бастапқы (немесе классикалық) Пенроуз процесі арқылы бір бөлшектің ыдырауынан алынатын энергияның максималды мөлшері, зарядталмаған қара тесік үшін оның массасының 20,7% құрайды (қара тесіктің максималды айналуының ең жақсы жағдайы ескеріледі). Энергия қара тесіктің айналуынан алынады, сондықтан Пенроуз процесі және оған ұқсас стратегиялар арқылы алынатын энергия мөлшері шектеулі (зарядталмаған қара тесік үшін бастапқы массасының 29% аспауы керек; зарядталған айналмалы қара тесіктер үшін жоғары тиімділік мүмкін).
The Penrose process (also called Penrose mechanism) is theorised by Sir Roger Penrose as a means whereby energy can be extracted from a rotating black hole. The process takes advantage of the ergosphere – a region of spacetime around the black hole dragged by its rotation faster than the speed of light, meaning that from the point of view of an outside observer any matter inside is forced to move in the direction of the rotation of the black hole. In the process, a working body falls (black thick line in the figure) into the ergosphere (gray region). At its lowest point (red dot) the body fires a propellant backwards; however, to a faraway observer both seem to continue to move forward due to frame dragging (albeit at different speeds). The propellant, being slowed, falls (thin gray line) to the event horizon of the black hole (black disk). The remains of the body, being sped up, fly away (thin black line) with an excess of energy (that more than offsets the loss of the propellant and the energy used to shoot it). The maximum amount of energy gain possible for a single particle decay via the original (or classical) Penrose process is 20.7% of its mass in the case of an uncharged black hole (assuming the best case of maximal rotation of the black hole). The energy is taken from the rotation of the black hole, so there is a limit on how much energy one can extract by Penrose process and similar strategies (for an uncharged black hole no more than 29% of its original mass; larger efficiencies are possible for charged rotating black holes).
Ергосфераның егжей-тегжейі
Ергосфераның сыртқы беті – сыртқы бақылаушыға қара тесіктің айналуына қарама-қарсы бағытта қозғалатын жарық тұрақты бұрыштық координатта қалады. Массивті бөлшектер жарықтан міндетті түрде баяу қозғалатындықтан, олар қара тесіктің айналуымен бірге қозғалады. Ергосфераның ішкі шекарасы – оқиғалар көкжиегі, жарықтан тысқары шыға алмайтын кеңістіктік периметр. Ергосфераның ішінде тіпті жарық та қара тесіктің айналуымен бірге қадам баса алмайды, себебі сырттан қарағанда тұрақты нысандардың траекториясы уақытқа емес, кеңістікке ұқсас болады (қалыпты материяға тән), немесе жарық сияқты болады. Математикалық тұрғыдан алғанда, метриканың құрауышы ергосфераның ішінде таңбасын өзгертеді. Бұл материяға ергосфераның ішінде теріс энергияға ие болуға мүмкіндік береді, егер ол қара тесіктің айналуына қарсы жеткілікті жылдамдықпен қозғалса (немесе сыртқы бақылаушы үшін, сүйрелуге қарсылық көрсетсе). Пенроз механизмі осы мүмкіндікті пайдаланып, ергосфераға еніп, теріс энергия алған объектіні тастап, бұрынғыдан артық энергиямен қайта оралады. Осылайша, айналу энергиясы қара тесіктен алынып, нәтижесінде қара тесіктің айналу жылдамдығы төмендейді. Егер қара тесік максималды жылдамдықпен айналып жатса, лақтырылған объектінің массасына шаққандағы энергияның максималды мөлшері алынады, объект оқиғалар көкжиегіне жанасып, алға және артқа қозғалатын жарық пакеттеріне ыдырайды (біріншісі қара тесіктен қашып кетеді, екіншісі оның ішіне түседі). Қосымша процесте, қара тесіктің айналу жылдамдығын арттыруға болады, егер оған бөлінбейтін, керісінше бүкіл бұрыштық импульсын қара тесікке беретін бөлшектер жіберілсе. Алайда, бұл Пенроз процесінің керісі емес, себебі екеуі де қара тесіктің энтропиясын арттырады.