Введение
Гипотетический механизм извлечения энергии из вращающихся черных дыр
Процесс Пенроуза (также называемый механизмом Пенроуза) был теоретически предложен сэром Роджером Пенроузом как способ извлечения энергии из вращающейся черной дыры. Процесс использует эргосферу – область пространства-времени вокруг черной дыры, увлекаемую её вращением быстрее скорости света, что означает, что с точки зрения внешнего наблюдателя любое вещество внутри вынуждено двигаться в направлении вращения черной дыры. В ходе процесса рабочее тело падает (черная толстая линия на рисунке) в эргосферу (серая область). В самой нижней точке (красная точка) тело выбрасывает двигатель назад; однако, для удалённого наблюдателя оба, кажется, продолжают двигаться вперёд из-за эффекта увлечения пространства-времени (хотя и с разной скоростью). Двигатель, замедляясь, падает (тонкая серая линия) на горизонт событий черной дыры (черный диск). Остатки тела, ускоряясь, улетают (тонкая черная линия) с избытком энергии (который более чем компенсирует потерю двигателя и энергию, затраченную на его выброс). Максимальное количество энергии, которое можно получить при распаде одной частицы посредством оригинального (или классического) процесса Пенроуза, составляет 20,7% её массы в случае незаряженной черной дыры (при наилучшем сценарии максимального вращения черной дыры). Энергия извлекается из вращения черной дыры, поэтому существует предел количества энергии, которое можно извлечь с помощью процесса Пенроуза и подобных стратегий (для незаряженной черной дыры не более 29% её первоначальной массы; более высокая эффективность возможна для заряженных вращающихся черных дыр).
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).
Детали эргосферы
Внешняя поверхность эргосферы — это поверхность, на которой свет, движущийся в направлении, противоположном вращению чёрной дыры, остаётся в фиксированной угловой координате, согласно внешнему наблюдателю. Поскольку массивные частицы обязательно движутся медленнее света, массивные частицы неизбежно будут двигаться вместе с вращением чёрной дыры. Внутренняя граница эргосферы — горизонт событий, пространственный периметр, за пределы которого свет не может вырваться. Внутри эргосферы даже свет не может угнаться за вращением чёрной дыры, поскольку траектории неподвижных (с внешней точки зрения) объектов становятся пространственноподобными, а не временными (как это было бы с обычной материей) или светоподобными. Математически, определённый компонент метрики меняет свой знак внутри эргосферы. Это позволяет материи обладать отрицательной энергией внутри эргосферы, пока она движется против вращения чёрной дыры достаточно быстро (или, с внешней точки зрения, оказывает достаточное сопротивление увлечению). Механизм Пенроуза использует это, погружаясь в эргосферу, сбрасывая объект, получивший отрицательную энергию, и возвращаясь с большей энергией, чем прежде. Таким образом, энергия вращения извлекается из чёрной дыры, что приводит к замедлению её вращения. Максимальное количество энергии (на единицу массы брошенного объекта) извлекается, если чёрная дыра вращается с максимальной скоростью, объект лишь касается горизонта событий и распадается на световые пакеты, движущиеся вперёд и назад (первый покидает чёрную дыру, второй падает внутрь). В сопутствующем процессе чёрная дыра может быть раскручена (её скорость вращения увеличена) путём отправки частиц, которые не расщепляются, а вместо этого передают чёрной дыре весь свой угловой момент. Однако это не является обратным процессом Пенроуза, поскольку оба увеличивают энтропию чёрной дыры, выбрасывая в неё материю.