Le processus Penrose

Le Procédé Penrose, proposé par Roger Penrose en 1969, est un moyen d'extraire l'énergie d'un trou noir en rotation. Cela montre qu’un trou noir n’est pas simplement un piège à sens unique : un trou noir en rotation emmagasine une énorme énergie de rotation et, dans de bonnes conditions, une partie de cette énergie peut être extraite et emportée.

L'ergosphère : là où l'espace lui-même est entraîné

Un Trou noir de Kerr tord l'espace-temps autour de lui, un phénomène appelé déplacement du cadre. Juste à l’extérieur de l’horizon des événements se trouve une région appelée ergosphère, où cet entraînement est si intense que rien ne peut rester immobile — tout, même la lumière, est obligé de tourner avec le trou noir. L’ergosphère se situe en dehors de l’horizon, de sorte que les objets peuvent toujours y entrer et s’en échapper.

Diviser un objet pour voler de l'énergie

L'idée de Penrose fonctionne comme ceci. Envoyez un objet dans l'ergosphère et divisez-le en deux. Disposez la division de manière à ce qu'un fragment tombe dans le trou noir sur une trajectoire avec négatif énergie (possible uniquement à l'intérieur de l'ergosphère, à cause du glissement du cadre), tandis que l'autre fragment s'échappe. Par conservation de l'énergie, le fragment qui s'échappe emporte plus l'énergie que l'objet d'origine apporté. Le déficit est compensé par le trou noir, qui perd une infime quantité de masse et ralentit sa rotation. En effet, vous avez converti une partie de l’énergie de rotation du trou noir en énergie cinétique utilisable.

Le gain théorique est important : jusqu'à environ 29 % de l'énergie de masse totale d'un trou noir en rotation maximale est stockée sous forme d'énergie de rotation extractible. Les mécanismes associés étendent l'idée — superradiance amplifie les ondes diffusées par un trou noir en rotation, et le Processus Blandford-Znajek exploite l'énergie de rotation à travers des champs magnétiques, largement considérés comme alimentant les jets relativistes émis par les galaxies actives et les quasars.

Pourquoi c'est important

Le processus Penrose a transformé les trous noirs d’objets purement destructeurs en centrales électriques cosmiques potentielles. Cela a également contribué à établir la thermodynamique des trous noirs : le fait que l'on ne puisse extraire de l'énergie qu'en réduisant la rotation (jamais la zone de l'horizon) était un des premiers indices que la zone de l'horizon d'un trou noir se comporte comme l'entropie – une connexion au cœur du paradoxe de l’information sur les trous noirs.

Une idée fausse courante

L'énergie ne vient pas de « l'intérieur » du trou noir au-delà de l'horizon, et rien ne s'échappe de l'horizon lui-même. L'énergie extraite est celle du trou noir rotation l'énergie, récoltée dans l'ergosphère au-delà de l'horizon. Une fois que le trou noir arrête de tourner, le processus Penrose ne peut plus rien extraire.

Chiffres clés : combien d’énergie ?

L’énergie de rotation extractible d’un trou noir dépend de la vitesse à laquelle il tourne. Pour un au maximum trou noir en rotation (extrême), l'énergie de rotation est

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

Donc jusqu'à environ 29% de la totalité de l'énergie de masse du trou noir peut en principe être exploitée – une efficacité qui éclipse la fusion nucléaire, qui convertit moins de 1 % de la masse en énergie. À mesure que l'énergie est supprimée, la rotation ralentit et la zone de l'horizon s'agrandit ; une fois que le trou cesse de tourner, son énergie est bloquée et le procédé Penrose ne donne plus rien. Ce plafond explique pourquoi les astrophysiciens pensent que l’énergie de rotation, extraite magnétiquement par le mécanisme de Blandford-Znajek associé, peut alimenter les énormes jets observés depuis les galaxies actives pendant des millions d’années.