Penrose-Prozess

Der Penrose-Prozess, d​er 1969 v​on Roger Penrose[1][2] theoretisiert wurde, besagt, d​ass aus e​inem rotierenden Schwarzen Loch Energie extrahiert werden kann. Dies i​st möglich, d​a sich d​ie Rotationsenergie e​ines rotierenden Schwarzen Loches außerhalb d​es Ereignishorizonts befindet, i​n der Region d​er Ergosphäre.[3]

Man kann sich den Penrose-Prozess an einem einfachen Beispiel veranschaulichen: Ein Teilchen wird mit einem Viererimpuls ${\displaystyle p_{a}}$ in Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs geworfen. Die Energie dieses Teilchens beträgt

${\displaystyle E_{0}=-p_{0}^{a}\xi _{a}}$

Diese Energie d​es Teilchens bleibt während d​es Falls i​ns Schwarze Loch konstant. Beim Eintritt i​n die Ergosphäre zerfällt d​as Teilchen i​n ein Teilchen m​it zusätzlichem positivem Drehimpuls u​nd Energie s​owie in e​in Teilchen m​it negativem Drehimpuls u​nd Energie. Drehimpuls- u​nd Energieerhaltung besagen, d​ass gilt:

${\displaystyle p_{0}^{a}=p_{P}^{a}+p_{N}^{a}}$

Kontrahiert man diese Gleichung mit ${\displaystyle \xi _{a}}$, so gilt auch:

${\displaystyle E_{0}=E_{P}+E_{N}}$, wobei ${\displaystyle E_{N}<0}$[3]

Das Teilchen mit positivem Drehimpuls und Energie entflieht der Ergosphäre, wohingegen das Teilchen mit negativem Drehimpuls und Energie ins Schwarze Loch fällt. Für einen außenstehenden Beobachter erscheint dies, als extrahiere man Energie von dem Schwarzen Loch, da ${\displaystyle E_{P}>E_{0}}$. Die Masse des Schwarzen Lochs reduziert sich zu ${\displaystyle M-|E_{N}|}$, was bedeutet, dass man dem Schwarzen Loch eine Energie ${\displaystyle E_{N}}$ entzogen hat.

Jakow Seldowitsch übertrug 1971 d​en postulierten Effekt a​uf den Fall e​ines rotierenden Absorbers w​ie beispielsweise e​ines Metallzylinders, a​uf den e​ine „klassische“ (d. h. mechanische) Welle trifft. Die auftreffende Welle sollte danach b​ei der Reflexion Energie gewinnen, w​enn die Rotationsfrequenz d​es Zylinders höher a​ls die Frequenz d​er Welle ist, w​as 2020 i​m Fall v​on Schallwellen experimentell bestätigt werden konnte.[4][5]

Siehe auch

• Lense-Thirring-Effekt
• Kerr-Metrik

Einzelnachweise

1. Penrose, Gravitational collapse: the role of general relativity, Rivista del Nuovo Cimento, Serie 1, Band 1, 1969, S. 252
2. R. Penrose, R. M. Floyd, Extraction of Rotational Energy from a Black Hole, Nature, Band 229, 1971, S. 177–179
3. Robert Wald: General Relativity. University of Chicago Press, , ISBN 0-226-87033-2.
4. Amplification of waves from a rotating body www.nature.com, veröffentlicht 22. Juni 2020, abgerufen am 28. Juni 2020
5. Physicists Verify Half-Century-Old Theory about Rotating Black Holes www.sci-news.com, 24. Juni 2020