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사용자:Ratamatao/펜로즈 과정

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펜로즈 과정은 커 블랙홀에서 에너지를 추출하는 방법으로 로저 펜로즈가 1969년에 제안하였다. [1] [2] 이 방법으로 에너지를 추출하기 위해서는 블랙홀의 회전 에너지가 사건의 지평선 외부의 커 시공간의 작용권에 위치해야 한다. 작용권에 위치한 모든 물체는 회전하는 시공간에 의해 끌리게 된다.

이 과정에서 작용권으로 들어가는 물질 덩어리가 두 조각으로 나뉘게 된다. 두 물질이 분리될 때 한 조각이 블랙홀에서 빠져 나가고 다른 조각이 사건의 지평선을 지나 블랙홀로 떨어지도록 운동량이 나뉠 수 있다. 이렇게 운동량이 나뉠 때 빠져 나가는 조각이 원래 조각보다 더 큰 질량 에너지를 갖도록 만들 수 있으며, 떨어지는 조각은 음의 질량 에너지를 얻게 된다. 운동량은 보존되지만 원래 가지고 있던 에너지보다 더 많은 에너지를 추출할 수 있고, 그 차이는 블랙홀 자체에 의해 생긴다.

즉, 이 과정은 블랙홀의 각운동량을 약간 감소시키며, 이를 물질의 에너지로 바꾸고, 손실된 운동량은 에너지로 추출된다.

충전되지 않은 블랙홀에서 이 과정을 통해 입자 한 개에 대해 획득할 수 있는 최대 에너지는 20.7%이다. [3] 이 과정은 블랙홀 역학을 따른다. 따라서 이 과정을 반복적으로 수행하면 커 블랙홀은 결국 각운동량을 모두 잃어 회전하지 않는 블랙홀, 즉 슈바르츠실트 블랙홀이 될 수 있다. 이 경우 충전되지 않은 블랙홀에서 추출할 수 있는 이론적 최대 에너지는 원래 질량의 29%이다. [4] 충전된 회전 블랙홀의 경우 효율을 더 높일 수 있다. [5]

실험

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펜로즈 과정이 제안된 지 2년 뒤인 1971년, 이론 물리학자 야코프 젤도비치는 빠른 속도로 회전하는 원통을 이용하여 가상의 작용권을 만들어 여기에 특정한 각도로 빛을 쏘아 에너지를 추출할 수 있는지 간접적으로 확인하여 펜로즈 과정을 실증하려고 했으나 커 블랙홀과 유사한 환경을 구현하려면 초당 10억 회에 달하는 회전 속도가 필요했기 때문에 젤도비치의 실험은 진행되지 못했다.[6]

이 매커니즘은 2020년에 다니엘 파치오 영국 글래스고대 물리 및 천문학부 교수팀이 회전하는 흡음기로 커 블랙홀과 유사한 환경을 만들고 음파를 이용해 펜로즈 과정을 실증하였다.[7]

자기력선에서의 펜로즈 과정

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미국 컬럼비아대와 칠레 아돌포이바녜스대 공동연구팀은 자기장이 끊어지고 이어지는 과정에서 플라스마 입자가 두 조각으로 나뉘어 각각 블랙홀 내부와 외부로 가속될 수 있다고 발표하였다.[8]

  1. ↑ R. Penrose and R. M. Floyd, "Extraction of Rotational Energy from a Black Hole", Nature Physical Science 229, 177 (1971).
  2. ↑ Misner, Thorne, and Wheeler, Gravitation, Freeman and Company, 1973.
  3. ↑ Chandrasekhar, pg. 369
  4. ↑ Carroll, pg. 271
  5. ↑ http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.512.1400&rep=rep1&type=pdf Energetics of the Kerr–Newman Black Hole by the Penrose Process; Manjiri Bhat, Sanjeev Dhurandhar & Naresh Dadhich; J. Astrophys. Astr. (1985) 6, 85–100 – www.ias.ac.in
  6. ↑ [1]
  7. ↑ Amplification of waves from a rotating body www.nature.com, Published: 22 June 2020, retrieved 28 June 2020
  8. ↑ Comisso, Luca; Asenjo, Felipe A. (2021년 1월 13일). “Magnetic reconnection as a mechanism for energy extraction from rotating black holes”. 《Physical Review D》 103 (2): 023014. doi:10.1103/PhysRevD.103.023014. 
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