El ergosfera es una región situada fuera de un agujero negro en rotación externa 's horizonte de sucesos . Su nombre fue propuesto por Remo Ruffini y John Archibald Wheeler durante las conferencias de Les Houches en 1971 y se deriva de la palabra griega ἔργον ( ergon ), que significa "trabajo". Recibió este nombre porque teóricamente es posible extraer energía y masa de esta región. La ergosfera toca el horizonte de eventos en los polos de un agujero negro en rotación y se extiende a un radio mayor en el ecuador. Un agujero negro con un momento angular modesto tiene una ergosfera con una forma aproximada por unesferoide achatado , mientras que los giros más rápidos producen una ergosfera con forma de calabaza. El radio ecuatorial (máximo) de una ergosfera es el radio de Schwarzschild , el radio de un agujero negro no giratorio. El radio polar (mínimo) es también el radio polar (mínimo) del horizonte de sucesos, que puede ser tan pequeño como la mitad del radio de Schwarzschild para un agujero negro de máxima rotación. [2]
Rotación
Cuando un agujero negro gira, gira el espacio-tiempo en la dirección de la rotación a una velocidad que disminuye con la distancia desde el horizonte de eventos. [3] Este proceso se conoce como efecto Lense-Thirring o arrastre de fotogramas . [4] Debido a este efecto de arrastre, un objeto dentro de la ergosfera no puede parecer estacionario con respecto a un observador externo a una gran distancia a menos que ese objeto se mueva más rápido que la velocidad de la luz (una imposibilidad) con respecto al espacio-tiempo local. . La velocidad necesaria para que un objeto parezca estacionario disminuye en puntos más alejados del horizonte de sucesos, hasta que a cierta distancia la velocidad requerida es insignificante.
El conjunto de todos esos puntos define la superficie de la ergosfera, llamada ergosuperficie . La superficie exterior de la ergosfera se llama superficie estática o límite estático . Esto se debe a que las líneas del mundo cambian de ser como el tiempo fuera del límite estático a ser como el espacio dentro de él. [5] Es la velocidad de la luz la que define arbitrariamente la superficie de la ergosfera. Tal superficie aparecería como un achatado que coincidiría con el horizonte de eventos en el polo de rotación, pero a una mayor distancia del horizonte de eventos en el ecuador. Fuera de esta superficie, el espacio todavía se arrastra, pero a un ritmo menor. [ cita requerida ]
Tirón radial
Una plomada suspendida, mantenida estacionaria fuera de la ergosfera, experimentará un tirón radial infinito / divergente cuando se acerque al límite estático. En algún momento comenzará a caer, lo que resultará en un movimiento giratorio inducido gravitomagnéticamente . Una implicación de este arrastre del espacio es la existencia de energías negativas dentro de la ergosfera.
Dado que la ergosfera está fuera del horizonte de eventos, todavía es posible que los objetos que entren en esa región con suficiente velocidad escapen de la atracción gravitacional del agujero negro. Un objeto puede ganar energía al entrar en la rotación del agujero negro y luego escapar de él, llevándose así parte de la energía del agujero negro (haciendo que la maniobra sea similar a la explotación del efecto Oberth alrededor de objetos espaciales "normales").
Este proceso de extracción de energía de un agujero negro en rotación fue propuesto por el matemático Roger Penrose en 1969 y se denomina proceso de Penrose . [6] La cantidad máxima de ganancia de energía posible para una sola partícula a través de este proceso es del 20,7% en términos de su equivalencia de masa, [7] y si este proceso se repite con la misma masa, la ganancia de energía máxima teórica se acerca al 29% de su equivalente original de masa-energía. [8] A medida que se elimina esta energía, el agujero negro pierde momento angular, se acerca al límite de rotación cero a medida que se reduce el arrastre del espacio-tiempo. En el límite, la ergosfera ya no existe. Este proceso se considera una posible explicación de una fuente de energía de fenómenos energéticos como estallidos de rayos gamma . [9] Los resultados de los modelos informáticos muestran que el proceso de Penrose es capaz de producir las partículas de alta energía que se observan emitidas por los cuásares y otros núcleos galácticos activos. [10]
Tamaño de la ergosfera
El tamaño de la ergosfera, la distancia entre la ergosuperficie y el horizonte de eventos, no es necesariamente proporcional al radio del horizonte de eventos, sino más bien a la gravedad del agujero negro y su momento angular. Un punto en los polos no se mueve y, por lo tanto, no tiene momento angular, mientras que en el ecuador un punto tendría su mayor momento angular. Esta variación del momento angular que se extiende desde los polos hasta el ecuador es lo que le da a la ergosfera su forma achatada. A medida que aumenta la masa del agujero negro o su velocidad de rotación, también aumenta el tamaño de la ergosfera. [11]
Referencias
- ^ Visser, Matt (15 de enero de 2008). "El espacio-tiempo de Kerr: una breve introducción". pag. 35. arXiv : 0706.0622 [ gr-qc ].
- ^ Griest, Kim (26 de febrero de 2010). "Física 161: Agujeros negros: Conferencia 22" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 3 de abril de 2012 . Consultado el 19 de octubre de 2011 .
- ^ Misner 1973, p. 879.
- ^ Querido, David. "Efecto Lense-Thiring" . Archivado desde el original el 11 de agosto de 2009.
- ^ Misner 1973, p. 879.
- ^ Bhat, Manjiri; Dhurandhar, Sanjeev; Dadhich, Naresh (10 de enero de 1985). "Energética del agujero negro de Kerr-Newman por el proceso de Penrose" (PDF) . Revista de Astrofísica y Astronomía . 6 (2): 85–100. Código Bibliográfico : 1985JApA .... 6 ... 85B . doi : 10.1007 / BF02715080 . S2CID 53513572 .
- ^ Chandrasekhar, pág. 369.
- ^ Carroll, pág. 271.
- ^ Nagataki, Shigehiro (28 de junio de 2011). "Rotación de BH como motores centrales de GRB largos: más rápido es mejor". Publicaciones de la Sociedad Astronómica de Japón . 63 : 1243-1249. arXiv : 1010.4964 . Código bibliográfico : 2011PASJ ... 63.1243N . doi : 10.1093 / pasj / 63.6.1243 . S2CID 118666120 .
- ^ Kafatos, Menas; Leiter, D. (1979). "Producción de pares de Penrose como fuente de energía de cuásares y núcleos galácticos activos". El diario astrofísico . 229 : 46–52. Código bibliográfico : 1979ApJ ... 229 ... 46K . CiteSeerX 10.1.1.924.9607 . doi : 10.1086 / 156928 .
- ^ Visser, Matt (1998). "Agujeros negros acústicos: horizontes, ergosferas y radiación de Hawking". Gravedad clásica y cuántica . 15 (6): 1767-1791. arXiv : gr-qc / 9712010 . Código Bibliográfico : 1998CQGra..15.1767V . doi : 10.1088 / 0264-9381 / 15/6/024 . S2CID 5526480 .
Otras lecturas
- Chandrasekhar, Subrahmanyan (1999). Teoría matemática de los agujeros negros . Prensa de la Universidad de Oxford . ISBN 0-19-850370-9.
- Misner, Charles ; Thorne, Kip S .; Wheeler, John (1973). Gravitación . WH Freeman and Company . ISBN 0-7167-0344-0.
- Carroll, Sean (2003). Espacio-tiempo y geometría: una introducción a la relatividad general . ISBN 0-8053-8732-3.
enlaces externos
- Termodinámica del agujero negro
- El campo gravitomagnético y los procesos de Penrose
- Un agujero negro giratorio