O Processo Penrose

O Processo Penrose, proposto por Roger Penrose em 1969, é uma forma de extrair energia de um buraco negro em rotação. Mostra que um buraco negro não é simplesmente uma armadilha unidireccional: um buraco negro em rotação armazena uma enorme energia rotacional e, nas condições certas, parte dessa energia pode ser extraída e transportada.

A ergosfera: onde o próprio espaço é arrastado

Uma rotação Buraco negro de Kerr torce o espaço-tempo em torno dele, um fenômeno chamado arrastando quadro. Fora do horizonte de eventos encontra-se uma região chamada Ergosfera, onde esse arrasto é tão severo que nada consegue permanecer parado — tudo, até mesmo a luz, é forçado a girar junto com o buraco negro. Crucialmente, a ergosfera fica fora do horizonte, de modo que os objetos ainda podem entrar nela e escapar novamente.

Dividindo um objeto para roubar energia

A ideia de Penrose funciona assim. Envie um objeto para a ergosfera e divida-o em dois. Organize a divisão de modo que um fragmento caia no buraco negro em uma trajetória com negativo energia (possível apenas dentro da ergosfera, devido ao arrastamento do quadro), enquanto o outro fragmento escapa. Pela conservação da energia, o fragmento que escapa leva embora mais energia do que o objeto original trazido. O déficit é pago pelo buraco negro, que perde uma pequena quantidade de massa e retarda sua rotação. Na verdade, você converteu parte da energia rotacional do buraco negro em energia cinética utilizável.

A recompensa teórica é grande: até cerca de 29% da energia total da massa de um buraco negro com rotação máxima é armazenada como energia rotacional extraível. Mecanismos relacionados ampliam a ideia — superradiância amplifica as ondas que se espalham por um buraco negro giratório, e o Processo Blandford–Znajek extrai energia rotacional por meio de campos magnéticos, que se acredita amplamente alimentarem os jatos relativísticos emitidos por galáxias e quasares ativos.

Por que é importante

O processo Penrose transformou buracos negros de objetos puramente destrutivos em potenciais usinas cósmicas. Também ajudou a estabelecer a termodinâmica do buraco negro: o fato de que você só pode extrair energia reduzindo o spin (nunca a área do horizonte) foi uma pista inicial de que a área do horizonte de um buraco negro se comporta como entropia - uma conexão no coração do paradoxo da informação do buraco negro.

Um equívoco comum

A energia não vem “de dentro” do buraco negro, além do horizonte, e nada escapa do próprio horizonte. A energia extraída é a do buraco negro rotacional energia, colhida da ergosfera fora do horizonte. Assim que o buraco negro parar de girar, o processo Penrose não poderá extrair mais nada.

Números-chave: quanta energia?

A energia rotacional extraível de um buraco negro é determinada pela velocidade com que ele gira. Para um ao máximo buraco negro giratório (extremo), a energia rotacional é

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

Então, até cerca 29% de toda a energia da massa do buraco negro pode, em princípio, ser aproveitada – uma eficiência que supera a fusão nuclear, que converte menos de 1% da massa em energia. À medida que a energia é removida, a rotação diminui e a área do horizonte aumenta; uma vez que o buraco para de girar, sua energia é bloqueada e o processo Penrose não produz mais nada. Este teto é o motivo pelo qual os astrofísicos acreditam que a energia rotacional, extraída magneticamente pelo mecanismo relacionado de Blandford-Znajek, pode alimentar os enormes jatos vistos disparando de galáxias ativas durante milhões de anos.