Эргосфера: область вокруг вращающейся чёрной дыры, где возможно извлечение энергии. Форма и радиус зависят от скорости вращения. Астрофизика, чёрные дыры.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Область за пределами горизонта событий вращающейся чёрной дыры
Region outside of a rotating black hole's event horizon
В астрофизике эргосфера — это область, расположенная за пределами внешнего горизонта событий вращающейся чёрной дыры. Это название было предложено Ремо Руффини и Джоном Арчибальдом Уилером во время лекций в Ле-Уш в 1971 году, и оно происходит от того, что теоретически возможно извлекать энергию и массу из этой области. Эргосфера соприкасается с горизонтом событий на полюсах вращающейся чёрной дыры и простирается на большее расстояние к экватору. Чёрная дыра с умеренным угловым моментом имеет эргосферу, форма которой приближается к сплюснутому сфероиду, в то время как более быстрое вращение приводит к образованию эргосферы, напоминающей тыкву. Экваториальный (максимальный) радиус эргосферы равен радиусу Шварцшильда — радиусу невращающейся чёрной дыры. Полярный (минимальный) радиус также равен полярному (минимальному) радиусу горизонта событий, который может быть равен половине радиуса Шварцшильда для максимально вращающейся чёрной дыры.
In astrophysics, the ergosphere is a region located outside a rotating black hole's outer event horizon. Its name was proposed by Remo Ruffini and John Archibald Wheeler during the Les Houches lectures in 1971 and is derived It received this name because it is theoretically possible to extract energy and mass from this region. The ergosphere touches the event horizon at the poles of a rotating black hole and extends to a greater radius at the equator. A black hole with modest angular momentum has an ergosphere with a shape approximated by an oblate spheroid, while faster spins produce a more pumpkin shaped ergosphere. The equatorial (maximal) radius of an ergosphere is the Schwarzschild radius, the radius of a non rotating black hole. The polar (minimal) radius is also the polar (minimal) radius of the event horizon which can be as little as half the Schwarzschild radius for a maximally rotating black hole.
Ротация
Когда черная дыра вращается, она искривляет пространство-время в направлении вращения со скоростью, уменьшающейся с расстоянием от горизонта событий. Этот процесс известен как эффект Лензе — Тирринга, или увлечение пространства-времени. Из-за этого эффекта увлечения объект внутри эргосферы не может казаться неподвижным относительно внешнего наблюдателя на большом расстоянии, если только он не движется быстрее скорости света (что невозможно) относительно локального пространства-времени. Скорость, необходимая для того, чтобы такой объект казался неподвижным, уменьшается по мере удаления от горизонта событий, пока на определенном расстоянии требуемая скорость не станет пренебрежимо малой. Множество всех таких точек определяет поверхность эргосферы, называемую эргоповерхностью. Внешняя поверхность эргосферы называется статической поверхностью или статическим пределом. Это связано с тем, что мировые линии изменяются от времениподобных за пределами статического предела до пространственноподобных внутри него. Именно скорость света определяет поверхность эргосферы. Такая поверхность выглядит как сплюснутый эллипсоид, совпадающий с горизонтом событий на полюсе вращения, но находящийся на большем расстоянии от горизонта событий на экваторе. За пределами этой поверхности пространство-время все еще увлечено, но с меньшей скоростью.
As a black hole rotates, it twists spacetime in the direction of the rotation at a speed that decreases with distance from the event horizon. This process is known as the Lense–Thirring effect or frame dragging. Because of this dragging effect, an object within the ergosphere cannot appear stationary with respect to an outside observer at a great distance unless that object were to move at faster than the speed of light (an impossibility) with respect to the local spacetime. The speed necessary for such an object to appear stationary decreases at points further out from the event horizon, until at some distance the required speed is negligible. The set of all such points defines the ergosphere surface, called ergosurface. The outer surface of the ergosphere is called the static surface or static limit. This is because world lines change from being time like outside the static limit to being space like inside it. It is the speed of light that arbitrarily defines the ergosphere surface. Such a surface would appear as an oblate that is coincident with the event horizon at the pole of rotation, but at a greater distance from the event horizon at the equator. Outside this surface, space is still dragged, but at a lesser rate.
Радиальное притяжение
Подвешенный груз, удерживаемый неподвижно за пределами эргосферы, будет испытывать бесконечное/расходящееся радиальное притяжение по мере приближения к статическому пределу. В какой-то момент он начнет падать, что приведет к спинвардному движению, индуцированному гравитомагнитным эффектом. Одним из следствий этого увлечения пространства является существование отрицательных энергий внутри эргосферы. Поскольку эргосфера находится за пределами горизонта событий, объекты, входящие в эту область с достаточной скоростью, все еще могут избежать гравитационного притяжения черной дыры. Объект может получить энергию, войдя во вращение черной дыры, а затем покинув ее, тем самым унося часть энергии черной дыры с собой (что делает этот маневр аналогичным использованию эффекта Оберта вокруг "обычных" космических объектов). Этот процесс извлечения энергии из вращающейся черной дыры был предложен математиком Роджером Пенроузом в 1969 году и называется процессом Пенроуза. Максимальное количество энергии, которое можно получить от одной частицы посредством этого процесса, составляет 20,7% в эквиваленте ее массы, и при повторении этого процесса с той же массой теоретический максимальный прирост энергии приближается к 29% от ее первоначального энергетического эквивалента массы. По мере извлечения этой энергии черная дыра теряет угловой момент, и, следовательно, приближается к пределу нулевого вращения, поскольку эффект увлечения пространства-времени уменьшается. В пределе эргосфера перестает существовать. Этот процесс рассматривается как возможное объяснение источника энергии для таких мощных явлений, как гамма-всплески. Результаты компьютерного моделирования показывают, что процесс Пенроуза способен производить высокоэнергетические частицы, которые наблюдаются при излучении квазаров и других активных галактических ядер.
A suspended plumb, held stationary outside the ergosphere, will experience an infinite/diverging radial pull as it approaches the static limit. At some point it will start to fall, resulting in a gravitomagnetically induced spinward motion. An implication of this dragging of space is the existence of negative energies within the ergosphere. Since the ergosphere is outside the event horizon, it is still possible for objects that enter that region with sufficient velocity to escape from the gravitational pull of the black hole. An object can gain energy by entering the black hole's rotation and then escaping from it, thus taking some of the black hole's energy with it (making the maneuver similar to the exploitation of the Oberth effect around "normal" space objects). This process of removing energy from a rotating black hole was proposed by the mathematician Roger Penrose in 1969 and is called the Penrose process. The maximal amount of energy gain possible for a single particle via this process is 20.7% in terms of its mass equivalence, and if this process is repeated by the same mass, the theoretical maximal energy gain approaches 29% of its original mass energy equivalent. As this energy is removed, the black hole loses angular momentum, and thus the limit of zero rotation is approached as spacetime dragging is reduced. In the limit, the ergosphere no longer exists. This process is considered a possible explanation for a source of energy of such energetic phenomena as gamma ray bursts. Results from computer models show that the Penrose process is capable of producing the high energy particles that are observed being emitted from quasars and other active galactic nuclei.
Размер эргосферы
Размер эргосферы, расстояние между эргоповерхностью и горизонтом событий, не обязательно пропорционально радиусу горизонта событий, а скорее зависит от гравитации чёрной дыры и её углового момента. Точка на полюсах не движется и, следовательно, не обладает угловым моментом, в то время как на экваторе точка имеет максимальный угловой момент. Эта изменчивость углового момента от полюсов к экватору и придает эргосфере её сплюснутую форму. С увеличением массы чёрной дыры или скорости её вращения, размер эргосферы также увеличивается.
The size of the ergosphere, the distance between the ergosurface and the event horizon, is not necessarily proportional to the radius of the event horizon, but rather to the black hole's gravity and its angular momentum. A point at the poles does not move, and thus has no angular momentum, while at the equator a point would have its greatest angular momentum. This variation of angular momentum that extends from the poles to the equator is what gives the ergosphere its oblate shape. As the mass of the black hole or its rotation speed increases, the size of the ergosphere increases as well.