Ergosphere

La ergosfera, en un agujero negro giratorio, es una región que tiene la forma de un elipsoide para regímenes de rotación baja, cuyo límite cerca de los polos, tiende a coincidir con el horizonte de eventos, pero cerca del ecuador se separa de él. A medida que aumenta el momento angular del agujero negro, la forma de la ergosfera tiende a ser cada vez más como una rosquilla sin agujero, es decir, un disco cuyo centro se estrecha hasta el punto de tocar el horizonte de eventos subyacente.

El término ergosfera proviene del griego ergργον (ergon) que significa "trabajo" , para indicar la esfera dentro de la cual se puede hacer el trabajo que puede aumentar la energía de una partícula que entra en ella. La terminología fue introducida por Remo Ruffini y John Archibald Wheeler.

La ergosfera también representa el "límite estático" , ya que las partículas que entran en ella son necesariamente arrastradas en la dirección de rotación del agujero negro, es decir, llegan a poseer un momento angular del mismo signo de J {\displaystyle j} . Este arrastre da un momento cinético y energía mecánica a la partícula a expensas de la energía del agujero negro. Tal efecto se conoce como el proceso Penrose. La ergosfera se puede describir en coordenadas polares de la ecuación: donde θ {\displaystyle \ theta } es el ángulo con respecto al eje de rotación del elipsoide cuyo eje menor es r h {\displaystyle r_{h}} mientras que el eje mayor está dado por r s t a t = r S h {\displaystyle r_ {\mathrm {stat} } = R_ {\mathrm {Sh} }} .

Es proporcionado por el modelo matemático original de Karl Schwarzschild. Dado que un agujero negro giratorio, si también está equipado con carga, está equipado con un campo magnético aterradoramente alto, la Dinamo que genera este campo magnético debe tener alguna fuente de energía adecuada para alimentarlo. Además, la materia que formaría la singularidad hipercomprimida central (un plasma de quarks y gluones) se encontraría con temperaturas extremadamente altas, cerca del límite superior alcanzable en la escala de calor 10 32 {\displaystyle 10^{32}} K, más allá de la cual la materia se convertiría automáticamente en fotones. Todo esto demuestra que un agujero negro gasta energía para mantener la alta temperatura en la singularidad y el campo magnético de la ergosfera y el horizonte de eventos. La característica fundamental de este espacio es imponer un movimiento perpetuo a todo lo que cae dentro. Ninguna partícula, una vez dentro, puede permanecer quieta, en reposo, pero necesariamente debe participar en la rotación del agujero negro: de hecho, en la ergosfera, se forma el disco de acreción, es decir, la materia que el agujero negro parasita por una posible estrella compañera. Esta materia gira cada vez más vertiginosamente alrededor del agujero negro en un movimiento espiral que termina con su deglución por el propio agujero negro. Durante estas fases, la aceleración de la materia a velocidades relativistas haría que los átomos involucrados en el proceso de canibalización emitieran rayos X y rayos γ particularmente intensos (como en los cuásares). La aceleración impuesta e impartida a las partículas capturadas es cercana a la de la luz. Esto significa que la materia todavía tiene la posibilidad de escapar de la atracción gravitacional del agujero negro, ya que posee una fuerza gravitacional capaz de superar la velocidad de la luz solo dentro del horizonte de eventos. Sin embargo, la materia atrapada y atrapada en la ergosfera no puede permanecer inmóvil a cierta distancia. En esta región particular del espacio-tiempo, la energía también puede adquirir un valor negativo: una partícula o cuerpo que logró salir de la ergosfera estaría dotado, en el momento de salir, de una energía superior a la que poseía en el momento de su captura. Este excedente de energía se obtendría a expensas de la singularidad central que genera el agujero negro, que disminuiría en masa y energía (tanto térmica como gravitacional).

Dentro de la ergosfera todo es arrastrado por la rotación del agujero negro con un movimiento uniformemente acelerado, pero debido a que la ergosfera se encuentra fuera del horizonte de eventos, todavía es posible que una partícula escape de esta región (la más difícil de salir de un cuerpo con masa consistente). Esto indica que es físicamente posible, aunque poco probable, que un cuerpo material salga de la ergosfera con una energía más alta de la que tenía en la entrada (absorber energía, o conseguir trabajo a expensas de la singularidad): por lo tanto, es teóricamente posible extraer energía de un agujero negro en rotación a expensas de su rotación. Este proceso fue hipotetizado por el matemático Roger Penrose en 1969 y se conoce como el proceso de Penrose. La cantidad máxima teórica de energía extraible de un agujero negro es el 29% de la energía total del agujero negro. La extracción de energía conduce a una reducción en el espín del agujero negro, y si el proceso continúa, también puede conducir a la disolución de la ergosfera. Este proceso es una posible explicación para la fuente de energía de fenómenos altamente energéticos como las explosiones de Rayos gamma. Los cálculos informáticos muestran que el proceso Penrose es capaz de producir las partículas altamente energéticas que se observan en las emisiones de cuásares y otros núcleos galácticos activos.

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