Ergosfera

La ergosfera es una región situada fuera del horizonte de sucesos exterior de un agujero negro en rotación. Su nombre fue propuesto por Remo Ruffini y John Archibald Wheeler durante las conferencias de Les Houches en 1971 y se deriva de la palabra griega ἔργον (ergon), que significa "trabajo". Recibió este nombre porque teóricamente es posible extraer energía y masa de esta región. La ergosfera toca el horizonte de sucesos en los polos de un agujero negro en rotación y se extiende hasta un radio mayor en el ecuador. Un agujero negro con un momento angular modesto tiene una ergosfera con una forma aproximada a la de un esferoide achatado, mientras que los giros más rápidos producen una ergosfera con más forma de calabaza. El radio ecuatorial (máximo) de una ergosfera es el radio de Schwarzschild, el radio de un agujero negro no giratorio. El radio polar (mínimo) es también el radio polar (mínimo) del horizonte de sucesos, que puede ser tan solo la mitad del radio de Schwarzschild para un agujero negro con rotación máxima.

Rotación

A medida que un agujero negro gira, tuerce el espacio-tiempo en la dirección de la rotación a una velocidad que disminuye con la distancia desde el horizonte de sucesos. Este proceso se conoce como efecto Lense-Thirring o arrastre de fotogramas. Debido a este efecto de arrastre, un objeto dentro de la ergosfera no puede parecer estacionario con respecto a un observador externo a gran distancia a menos que ese objeto se mueva más rápido que la velocidad de la luz (algo imposible) con respecto al espacio-tiempo local. La velocidad necesaria para que un objeto así parezca estacionario disminuye en puntos más alejados del horizonte de sucesos, hasta que a cierta distancia la velocidad requerida es insignificante.

El conjunto de todos estos puntos define la superficie de la ergosfera, llamada ergosuperficie. La superficie exterior de la ergosfera se llama superficie estática o límite estático. Esto se debe a que las líneas del mundo cambian de ser similares al tiempo fuera del límite estático a ser similares al espacio dentro de él. Es la velocidad de la luz la que define arbitrariamente la superficie de la ergosfera. Tal superficie aparecería como un achatado que coincide con el horizonte de sucesos en el polo de rotación, pero a una distancia mayor del horizonte de sucesos en el ecuador. Fuera de esta superficie, el espacio sigue siendo arrastrado, pero a menor ritmo.

Tirón radial

Una plomada suspendida, mantenida estacionaria fuera de la ergosfera, experimentará una atracción radial infinita/divergente a medida que se acerca al límite estático. En algún momento comenzará a caer, lo que dará como resultado un movimiento en dirección de giro inducido gravitomagnéticamente. Una implicación de este arrastre del espacio es la existencia de energías negativas dentro de la ergosfera.

Dado que la ergosfera está fuera del horizonte de sucesos, todavía es posible que los objetos que entren en esa región con velocidad suficiente escapen de la atracción gravitacional del agujero negro. Un objeto puede ganar energía al entrar en la rotación del agujero negro y luego escapar de él, llevándose así parte de la energía del agujero negro (lo que hace que la maniobra sea similar a la explotación del efecto Oberth alrededor de ' 34;objetos espaciales normales").

Este proceso de eliminar energía de un agujero negro en rotación fue propuesto por el matemático Roger Penrose en 1969 y se llama proceso de Penrose. La cantidad máxima de ganancia de energía posible para una sola partícula a través de este proceso es del 20,7% en términos de su equivalencia de masa, y si este proceso se repite con la misma masa, la ganancia de energía máxima teórica se acerca al 29% de su equivalente de masa-energía original. . A medida que se elimina esta energía, el agujero negro pierde momento angular y, por lo tanto, se acerca al límite de rotación cero a medida que se reduce el arrastre espacio-temporal. En el límite, la ergosfera ya no existe. Este proceso se considera una posible explicación de la fuente de energía de fenómenos tan energéticos como los estallidos de rayos gamma. Los resultados de los modelos informáticos muestran que el proceso de Penrose es capaz de producir las partículas de alta energía que se observan emitidas por los quásares y otros núcleos galácticos activos.

Tamaño de la ergosfera

El tamaño de la ergosfera, la distancia entre la ergosuperficie y el horizonte de sucesos, no es necesariamente proporcional al radio del horizonte de sucesos, sino más bien a la gravedad del agujero negro y su momento angular. Un punto en los polos no se mueve y, por tanto, no tiene momento angular, mientras que en el ecuador un punto tendría su mayor momento angular. Esta variación del momento angular que se extiende desde los polos hasta el ecuador es lo que le da a la ergosfera su forma achatada. A medida que aumenta la masa del agujero negro o su velocidad de rotación, también aumenta el tamaño de la ergosfera.