El proceso de Penrose (también llamado mecanismo de Penrose ) es teorizado por Sir Roger Penrose como un medio mediante el cual se puede extraer energía de un agujero negro en rotación . [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 su interior se ve obligado a moverse en la dirección de rotación del agujero negro. [4]
Al hacerlo, un cuerpo activo cae (en la figura, línea negra gruesa) a la ergosfera (zona gris). En su punto más bajo (punto rojo), el cuerpo dispara un propulsor hacia atrás; sin embargo, para un observador lejano, ambos parecen seguir avanzando debido al arrastre del cuadro (aunque a diferentes velocidades). El propulsor, al ser frenado, cae (línea gris delgada) hasta el horizonte de sucesos del agujero negro (disco negro). Los restos del cuerpo, al ser acelerados, salen volando (fina línea negra) con un exceso de energía (que compensa con creces la pérdida del propulsor y la energía utilizada para dispararlo).
La cantidad máxima de ganancia de energía posible para la desintegración de una sola partícula mediante el proceso de Penrose original (o clásico) es el 20,7% de su masa en el caso de un agujero negro sin carga (suponiendo 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] mayores eficiencias son posibles 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 necesariamente viajan más lento que la luz, las partículas masivas necesariamente se moverán 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 exterior) se vuelven similares al espacio, en lugar del tiempo (que tendría la materia normal), o a la luz. . Matemáticamente, el componente dt 2 de la métrica cambia de 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 una perspectiva exterior, se resista a ser arrastrada en un grado suficiente). El mecanismo de Penrose lo explota al sumergirse en la ergosfera, arrojar un objeto al que se le dio energía negativa y regresar con más energía que antes.
De esta manera, se extrae energía de rotación del agujero negro, lo que hace que el agujero negro gire a una velocidad de rotación más baja. La cantidad máxima de energía (por masa del objeto lanzado) se extrae si el agujero negro gira a la velocidad máxima, el objeto simplemente roza el horizonte de sucesos y se desintegra en paquetes de luz que se mueven hacia adelante y hacia atrás (el primero escapa del negro). agujero, el segundo cae dentro). [5]
En un proceso adjunto, se puede hacer girar un agujero negro (aumentar su velocidad de rotación) enviando partículas que no se dividen, sino que le dan 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 arrojarle material.