Der Penrose-Prozess

Das Penrose-Prozess1969 von Roger Penrose vorgeschlagen, ist eine Möglichkeit, einem rotierenden Schwarzen Loch Energie zu entziehen. Es zeigt, dass ein Schwarzes Loch nicht einfach eine Einwegfalle ist: Ein rotierendes Loch speichert enorme Rotationsenergie, und unter den richtigen Bedingungen kann ein Teil dieser Energie abgebaut und abtransportiert werden.

Die Ergosphäre: wohin der Raum selbst gezogen wird

Ein rotierendes Kerr Schwarzes Loch verdreht die Raumzeit um sich herum, ein Phänomen namens Frame-Ziehen. Direkt außerhalb des Ereignishorizonts liegt eine Region namens Ergosphäre, wo dieses Ziehen so stark ist, dass nichts still bleiben kann – alles, sogar Licht, ist gezwungen, sich mit dem Schwarzen Loch zu drehen. Entscheidend ist, dass sich die Ergosphäre außerhalb des Horizonts befindet, sodass Objekte immer noch in sie eindringen und wieder entkommen können.

Ein Objekt spalten, um Energie zu stehlen

Penroses Idee funktioniert so. Schicken Sie ein Objekt in die Ergosphäre und teilen Sie es in zwei Teile. Ordnen Sie die Teilung so an, dass ein Fragment auf einer Flugbahn mit in das Schwarze Loch fällt negativ Energie (wegen Frame-Dragging nur innerhalb der Ergosphäre möglich), während das andere Fragment entweicht. Durch Energieeinsparung trägt das austretende Fragment mit mehr Energie als das ursprüngliche Objekt eingebracht hat. Das Defizit wird vom Schwarzen Loch ausgeglichen, das eine kleine Menge an Masse verliert und seine Drehung verlangsamt. Tatsächlich haben Sie einen Teil der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs in nutzbare kinetische Energie umgewandelt.

Der theoretische Gewinn ist groß: Bis zu etwa 29 % der gesamten Massenenergie eines maximal rotierenden Schwarzen Lochs werden als extrahierbare Rotationsenergie gespeichert. Verwandte Mechanismen erweitern die Idee – Superstrahlung verstärkt Wellen, die an einem rotierenden Schwarzen Loch gestreut werden, und Blandford-Znajek-Prozess nutzt Rotationsenergie durch Magnetfelder, von denen allgemein angenommen wird, dass sie die relativistischen Jets antreiben, die von aktiven Galaxien und Quasaren ausgestoßen werden.

Warum es wichtig ist

Der Penrose-Prozess verwandelte Schwarze Löcher von rein zerstörerischen Objekten in potenzielle kosmische Kraftwerke. Es half auch bei der Etablierung der Thermodynamik von Schwarzen Löchern: Die Tatsache, dass man Energie nur durch Reduzierung des Spins (niemals des Horizontbereichs) gewinnen kann, war ein früher Hinweis darauf, dass sich der Horizontbereich eines Schwarzen Lochs wie Entropie verhält – eine Verbindung im Herzen des Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs.

Ein häufiges Missverständnis

Die Energie kommt nicht aus dem „Inneren“ des Schwarzen Lochs über den Horizont hinaus, und nichts entweicht dem Horizont selbst. Die extrahierte Energie ist die des Schwarzen Lochs rotierend Energie, gewonnen aus der Ergosphäre außerhalb des Horizonts. Sobald das Schwarze Loch aufhört, sich zu drehen, kann der Penrose-Prozess nichts mehr extrahieren.

Kennzahlen: Wie viel Energie?

Die extrahierbare Rotationsenergie eines Schwarzen Lochs hängt davon ab, wie schnell es sich dreht. Für ein maximal rotierendes (extremes) Schwarzes Loch, die Rotationsenergie beträgt

E_verrotten = (1 − 1/√2) Mc² ≈ 0,29 Mc²

Also bis ca 29% Die gesamte Massenenergie des Schwarzen Lochs kann im Prinzip genutzt werden – eine Effizienz, die die Kernfusion in den Schatten stellt, die weniger als 1 % der Masse in Energie umwandelt. Wenn Energie entfernt wird, verlangsamt sich die Drehung und die Horizontfläche vergrößert sich; Sobald das Loch aufhört zu rotieren, wird seine Energie blockiert und der Penrose-Prozess bringt nichts mehr hervor. Diese Obergrenze ist der Grund, warum Astrophysiker glauben, dass Rotationsenergie, die durch den verwandten Blandford-Znajek-Mechanismus magnetisch extrahiert wird, die enormen Jets antreiben kann, die seit Millionen von Jahren aus aktiven Galaxien schießen.