Il processo Penrose

Il Processo di Penrose, proposto da Roger Penrose nel 1969, è un modo per estrarre energia da un buco nero rotante. Dimostra che un buco nero non è semplicemente una trappola a senso unico: un buco nero che ruota immagazzina un’enorme energia rotazionale e, nelle giuste condizioni, parte di quell’energia può essere estratta e trasportata via.

L'ergosfera: dove viene trascinato lo spazio stesso

Un rotante Buco nero di Kerr distorce lo spaziotempo attorno a sé, un fenomeno chiamato trascinamento del fotogramma. Appena fuori dall'orizzonte degli eventi si trova una regione chiamata ergosfera, dove questo trascinamento è così forte che nulla può rimanere fermo: tutto, anche la luce, è costretto a ruotare insieme al buco nero. Fondamentalmente, l’ergosfera si trova fuori dall’orizzonte, quindi gli oggetti possono ancora entrarvi e scappare di nuovo.

Dividere un oggetto per rubare energia

L'idea di Penrose funziona così. Invia un oggetto nell'ergosfera e dividilo in due. Disporre la divisione in modo che un frammento cada nel buco nero su una traiettoria con negativo energia (possibile solo all'interno dell'ergosfera, a causa del trascinamento del frame), mentre l'altro frammento fuoriesce. Per conservazione dell'energia, il frammento in fuga porta via altro energia di quella portata dall'oggetto originale. Il deficit è pagato dal buco nero, che perde una piccola quantità di massa e rallenta la sua rotazione. In effetti, hai convertito parte dell'energia rotazionale del buco nero in energia cinetica utilizzabile.

Il profitto teorico è ampio: fino a circa il 29% della massa-energia totale di un buco nero che ruota al massimo viene immagazzinata come energia rotazionale estraibile. I meccanismi correlati estendono l'idea: superradianza amplifica le onde che si diffondono da un buco nero rotante e il Processo Blandford–Znajek sfrutta l'energia rotazionale attraverso i campi magnetici, ampiamente ritenuti per alimentare i getti relativistici emessi dalle galassie attive e dai quasar.

Perché è importante

Il processo Penrose ha trasformato i buchi neri da oggetti puramente distruttivi in ​​potenziali centrali elettriche cosmiche. Ha anche contribuito a stabilire la termodinamica del buco nero: il fatto che sia possibile estrarre energia solo riducendo lo spin (mai l'area dell'orizzonte) è stato un primo indizio che l'area dell'orizzonte di un buco nero si comporta come l'entropia, una connessione nel cuore del paradosso dell'informazione del buco nero.

Un malinteso comune

L'energia non proviene “dall'interno” del buco nero oltre l'orizzonte, e nulla sfugge all'orizzonte stesso. L'energia estratta è la del buco nero rotazionale energia, raccolta dall'ergosfera fuori dall'orizzonte. Una volta che il buco nero smette di ruotare, il processo Penrose non può più estrarre nulla.

Numeri chiave: quanta energia?

L'energia rotazionale estraibile di un buco nero è determinata dalla velocità con cui gira. Per un al massimo buco nero rotante (estremo), l'energia di rotazione è

E_marcire = (1 − 1/√2) Mc² ≈ 0,29 Mc²

Quindi fino a circa 29% in linea di principio, l’intera massa-energia del buco nero può essere sfruttata: un’efficienza che fa impallidire la fusione nucleare, che converte meno dell’1% della massa in energia. Man mano che l'energia viene rimossa, la rotazione rallenta e l'area dell'orizzonte aumenta; una volta che il buco smette di ruotare, la sua energia viene bloccata e il processo Penrose non produce più nulla. Questo soffitto è il motivo per cui gli astrofisici credono che l’energia rotazionale, estratta magneticamente dal relativo meccanismo di Blandford-Znajek, possa alimentare gli enormi getti visti sparare dalle galassie attive per milioni di anni.