Эргосфера
В астрофизике эргосфера внешнего – это область, расположенная за пределами вращающейся черной дыры горизонта событий . Его название было предложено Ремо Руффини и Джоном Арчибальдом Уилером во время лекций в Ле Уше в 1971 году и происходит от древнегреческого ἔργον (эргон) «работа». теоретически возможно добывать энергию и массу Такое название он получил потому, что из этого региона . Эргосфера касается горизонта событий на полюсах вращающейся черной дыры и расширяется до большего радиуса на экваторе. Черная дыра со скромным угловым моментом имеет эргосферу, форма которой приближается к сплюснутому сфероиду , в то время как более быстрые вращения создают эргосферу, более напоминающую тыкву. Экваториальный (максимальный) радиус эргосферы — это радиус Шварцшильда , радиус невращающейся черной дыры. Полярный (минимальный) радиус также является полярным (минимальным) радиусом горизонта событий, который может составлять всего половину радиуса Шварцшильда для максимально вращающейся черной дыры. [2]
Вращение
[ редактировать ]Когда черная дыра вращается, она скручивает пространство-время в направлении вращения со скоростью, которая уменьшается по мере удаления от горизонта событий. [3] Этот процесс известен как эффект Лензе-Тирринга или перетаскивание кадра . [4] Из-за этого эффекта перетаскивания объект внутри эргосферы не может казаться неподвижным по отношению к внешнему наблюдателю на большом расстоянии, если только этот объект не должен двигаться со скоростью, превышающей скорость света (что невозможно) по отношению к локальному пространству-времени. Скорость, необходимая для того, чтобы такой объект казался неподвижным, уменьшается в точках дальше от горизонта событий, пока на некотором расстоянии требуемая скорость не станет незначительной.
Набор всех таких точек определяет поверхность эргосферы, называемую эргоповерхностью . Внешняя поверхность эргосферы называется статической поверхностью или статическим пределом . Это происходит потому, что мировые линии из временных за пределами статического предела изменяются в пространственные внутри него. [5] Именно скорость света произвольно определяет поверхность эргосферы. Такая поверхность будет выглядеть как сплюснутая, совпадающая с горизонтом событий на полюсе вращения, но на большем расстоянии от горизонта событий на экваторе. За пределами этой поверхности пространство все еще тянется, но с меньшей скоростью. [ нужна ссылка ]
Радиальное натяжение
[ редактировать ]
Подвешенный отвес , удерживаемый неподвижно вне эргосферы, будет испытывать бесконечное/расходящееся радиальное притяжение по мере приближения к статическому пределу. В какой-то момент он начнет падать, что приведет к гравитационно-индуцированному движению по направлению вращения. Следствием этого перетягивания 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 вырвавшись из него, забрав с собой часть энергии черной дыры (что делает маневр похожим на использование эффекта Оберта вокруг «обычных» космических объектов).
Этот процесс удаления энергии из вращающейся черной дыры был предложен математиком Роджером Пенроузом в 1969 году и называется процессом Пенроуза . [6] Максимальный выигрыш энергии, возможный для одной частицы в результате этого процесса, составляет 20,7% с точки зрения ее массового эквивалента. [7] и если этот процесс повторяется с той же массой, теоретический максимальный прирост энергии приближается к 29% от ее первоначального эквивалента массы-энергии. [8] По мере удаления этой энергии черная дыра теряет угловой момент и, таким образом, приближается к пределу нулевого вращения, поскольку сопротивление пространства-времени уменьшается. [ нужна ссылка ] . В пределе эргосферы больше не существует. Этот процесс считается возможным объяснением источника энергии таких энергетических явлений, как гамма-всплески . [9] Результаты компьютерных моделей показывают, что процесс Пенроуза способен производить частицы высокой энергии, испускаемые квазарами и другими активными ядрами галактик. [10]
Размер эргосферы
[ редактировать ]Размер эргосферы, расстояние между эргоповерхностью и горизонтом событий, не обязательно пропорционален радиусу горизонта событий, а скорее гравитации черной дыры и ее угловому моменту. Точка на полюсах не движется и, следовательно, не имеет углового момента, тогда как на экваторе точка будет иметь наибольший угловой момент. Это изменение углового момента, простирающееся от полюсов к экватору, придает эргосфере сплюснутую форму. По мере увеличения массы черной дыры или скорости ее вращения размер эргосферы также увеличивается. [11]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Виссер, Мэтт (15 января 2008 г.). «Пространство-время Керра: краткое введение». п. 35. arXiv : 0706.0622 [ gr-qc ].
- ^ Грист, Ким (26 февраля 2010 г.). «Физика 161: Черные дыры: Лекция 22» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 3 апреля 2012 г. Проверено 19 октября 2011 г.
- ^ Миснер 1973, с. 879.
- ^ Дорогой, Дэвид. «Эффект Линзы-Тайринга» . Архивировано из оригинала 11 августа 2009 г.
- ^ Миснер 1973, с. 879.
- ^ Бхат, Манджири; Дхурандхар, Санджив; Дадхич, Нареш (10 января 1985 г.). «Энергетика черной дыры Керра – Ньюмана посредством процесса Пенроуза» (PDF) . Журнал астрофизики и астрономии . 6 (2): 85–100. Бибкод : 1985JApA....6...85B . дои : 10.1007/BF02715080 . S2CID 53513572 .
- ^ Чандрасекхар, с. 369.
- ^ Кэрролл, с. 271.
- ^ Нагатаки, Сигэхиро (28 июня 2011 г.). «Вращающиеся ЧД как центральные двигатели длинных гамма-всплесков: чем быстрее, тем лучше». Публикации Астрономического общества Японии . 63 : 1243–1249. arXiv : 1010.4964 . Бибкод : 2011PASJ...63.1243N . дои : 10.1093/pasj/63.6.1243 . S2CID 118666120 .
- ^ Кафатос, Менас; Лейтер, Д. (1979). «Рождение пар Пенроуза как источник энергии квазаров и активных ядер галактик». Астрофизический журнал . 229 : 46–52. Бибкод : 1979ApJ...229...46K . CiteSeerX 10.1.1.924.9607 . дои : 10.1086/156928 .
- ^ Виссер, Мэтт (1998). «Акустические черные дыры: горизонты, эргосферы и излучение Хокинга». Классическая и квантовая гравитация . 15 (6): 1767–1791. arXiv : gr-qc/9712010 . Бибкод : 1998CQGra..15.1767V . дои : 10.1088/0264-9381/15/6/024 . S2CID 5526480 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Чандрасекар, Субраманян (1999). Математическая теория черных дыр . Издательство Оксфордского университета . ISBN 0-19-850370-9 .
- Миснер, Чарльз ; Торн, Кип С .; Уиллер, Джон (1973). Гравитация . WH Фриман и компания . ISBN 0-7167-0344-0 .
- Кэрролл, Шон (2003). Пространство-время и геометрия: введение в общую теорию относительности . Эддисон Уэсли. ISBN 0-8053-8732-3 .
