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).

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.