El proceso de Penrose (también llamado mecanismo de Penrose ) fue teorizado por Sir Roger Penrose como un medio por el cual se puede extraer energía de un agujero negro giratorio . [1] [2] [3] El proceso aprovecha la ergosfera , una región del espacio-tiempo alrededor del agujero negro arrastrada por su rotación más rápida que la velocidad de la luz , lo que significa que desde el punto de vista de un observador externo, cualquier materia en el interior se ve obligada a moverse en la dirección de la rotación del agujero negro. [4]
En el proceso, un cuerpo en movimiento cae (línea gruesa negra en la figura) en la ergosfera (región gris). En su punto más bajo (punto rojo), el cuerpo dispara un propulsor hacia atrás; sin embargo, para un observador lejano, ambos parecen continuar moviéndose hacia adelante debido al arrastre de fotogramas (aunque a diferentes velocidades). El propulsor, al ser frenado, cae (línea gris delgada) al horizonte de sucesos del agujero negro (disco negro). Los restos del cuerpo, al ser acelerados, salen volando (línea negra delgada) con un exceso de energía (que compensa con creces la pérdida del propulsor y la energía utilizada para dispararlo).
La máxima cantidad de ganancia de energía posible para la desintegración de una sola partícula a través del proceso de Penrose original (o clásico) es el 20,7% de su masa en el caso de un agujero negro sin carga (asumiendo el mejor caso de rotación máxima del agujero negro). [5] La energía se toma de la rotación del agujero negro, por lo que hay un límite en la cantidad de energía que se puede extraer mediante el proceso de Penrose y estrategias similares (para un agujero negro sin carga, no más del 29% de su masa original; [6] son posibles eficiencias mayores para agujeros negros giratorios cargados [7] ).
La superficie exterior de la ergosfera es la superficie en la que la luz que se mueve en dirección opuesta a la rotación del agujero negro permanece en una coordenada angular fija, según un observador externo. Dado que las partículas masivas viajan necesariamente más lento que la luz, las partículas masivas se moverán necesariamente junto con la rotación del agujero negro. El límite interior de la ergosfera es el horizonte de sucesos, el perímetro espacial más allá del cual la luz no puede escapar.
Dentro de la ergosfera, ni siquiera la luz puede seguir el ritmo de la rotación del agujero negro, ya que las trayectorias de los objetos estacionarios (desde la perspectiva externa) se vuelven similares a las del espacio, en lugar de similares a las del tiempo (como tendría la materia normal), o similares a la luz. Matemáticamente, el componente dt 2 de la métrica cambia su signo dentro de la ergosfera. Eso permite que la materia tenga energía negativa dentro de la ergosfera siempre que se mueva en contra de la rotación del agujero negro lo suficientemente rápido (o, desde la perspectiva externa, resista ser arrastrada en un grado suficiente). El mecanismo de Penrose explota eso sumergiéndose en la ergosfera, arrojando un objeto al que se le dio energía negativa y regresando con más energía que antes.
De esta manera, se extrae energía rotacional del agujero negro, lo que hace que este gire a una velocidad menor. La máxima cantidad de energía (por masa del objeto arrojado) se extrae si el agujero negro gira a la velocidad máxima, el objeto apenas roza el horizonte de sucesos y se desintegra en paquetes de luz que se mueven hacia adelante y hacia atrás (el primero escapa del agujero negro, el segundo cae en su interior). [5]
En un proceso adjunto, se puede aumentar la velocidad de rotación de un agujero negro enviando partículas que no se dividen, sino que ceden todo su momento angular al agujero negro. Sin embargo, esto no es lo contrario del proceso de Penrose, ya que ambos aumentan la entropía del agujero negro al arrojar material en su interior.