Ergosfera

En astrofísica , 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 del griego antiguo ἔργον (ergon)  'trabajo'. Recibió este nombre porque es teóricamente 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 forma más de calabaza. El radio ecuatorial (máximo) de una ergosfera es el radio de Schwarzschild , el radio de un agujero negro que no gira. El radio polar (mínimo) es también el radio polar (mínimo) del horizonte de eventos, que puede ser tan pequeño como la mitad del radio de Schwarzschild para un agujero negro con rotación máxima. ^[2]

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. ^[3] Este proceso se conoce como el efecto Lense-Thirring o arrastre de fotogramas . ^[4] Debido a este efecto de arrastre, un objeto dentro de la ergosfera no puede parecer estacionario con respecto a un observador externo a una gran distancia a menos que ese objeto se mueva a una velocidad mayor que la de la luz (una imposibilidad) con respecto al espacio-tiempo local. La velocidad necesaria para que un objeto de este tipo 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 temporales fuera del límite estático a espaciales dentro de él. ^[5] Es la velocidad de la luz la que define arbitrariamente la superficie de la ergosfera. Tal superficie aparecería como un oblato que coincide con el horizonte de sucesos en el polo de rotación, pero a una mayor distancia del horizonte de sucesos en el ecuador. Fuera de esta superficie, el espacio sigue siendo arrastrado, pero a una velocidad menor. ^{[ cita requerida ]}

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 punto comenzará a caer, lo que dará como resultado un movimiento de giro hacia adelante inducido gravitomagnéticamente . Una implicación de este arrastre del espacio es la existencia de energías negativas dentro de la ergosfera.

Dado que la ergosfera se encuentra fuera del horizonte de sucesos, los objetos que entran en esa región con suficiente velocidad pueden escapar de la atracción gravitatoria del agujero negro. Un objeto puede ganar energía entrando en la rotación del agujero negro y luego escapando 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 objetos espaciales "normales").

Este proceso de extracción de energía de un agujero negro giratorio fue propuesto por el matemático Roger Penrose en 1969 y se denomina proceso de Penrose . ^[6] 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, ^[7] y si este proceso se repite con la misma masa, la ganancia máxima teórica de energía se acerca al 29% de su equivalente original de masa-energía. ^[8] A medida que se elimina esta energía, el agujero negro pierde momento angular y, por lo tanto, se aproxima al límite de rotación cero a medida que se reduce el arrastre del espacio-tiempo ^{[ cita requerida ]} . En el límite, la ergosfera ya no existe. Este proceso se considera una posible explicación de una fuente de energía de fenómenos tan energéticos como los estallidos de rayos gamma . ^[9] 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 cuásares y otros núcleos galácticos activos. ^[10]

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 a su momento angular. Un punto situado en los polos no se mueve y, por lo tanto, no tiene momento angular, mientras que un punto situado en el ecuador tendría su mayor momento angular. Esta variación del momento angular que se extiende desde los polos hasta el ecuador es lo que 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. ^[11]

• Chandrasekhar, Subrahmanyan (1999). Teoría matemática de los agujeros negros . Oxford University Press . ISBN 0-19-850370-9.
• Misner, Charles ; Thorne, Kip S .; Wheeler, John (1973). Gravitación . WH Freeman and Company . ISBN. 0-7167-0344-0.
• Carroll, Sean (2003). Espacio-tiempo y geometría: una introducción a la relatividad general . Addison Wesley. ISBN 0-8053-8732-3.

• Termodinámica de los agujeros negros
• El campo gravitomagnético y los procesos de Penrose
• Un agujero negro giratorio