[論文レビュー] On energetics of particle collisions near black holes: BSW effect versus Penrose process

О. Б. Заславский|arXiv (Cornell University)|May 20, 2012

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、回転する極限ブラックホールの近傍における粒子衝突からのエネルギー抽出を調査し、一般の『汚れきった』ブラックホール（物質に囲まれたもの）では、系の中心系エネルギーと検出可能な生成粒子のエネルギーが有界であることを示している。理想化されたカー・ブラックホールにおける無限大に達するBSW効果とは異なり、現実の物質分布が厳密な制限を課し、結果として無限に遠くで検出可能なエネルギーの増幅はわずかにとどまる。

ABSTRACT

If two particles collide near the horizon of a rotating extremal black hole, under certain conditions the energy E_{c.m.} in the center-of-mass frame can grow without limit (the so-called Banados-Silk-West effect). We consider collisions that produce two other particles. We show that for a generic dirty (surrounded by matter) black hole, there exist upper bounds on the energy and mass of product particles which can be detected at infinity. As a result, the positive energy gain is possible but is quite modest. It mainly depends on two numbers in which near-horizon behavior of the metric is encoded. The obtained results suggest astrophysical limits on the possibility of observation of the products of the collisional Banados-Silk-West effect. These results are consistent with recent calculations for the Kerr metric, extending them to generic dirty black holes. It is shown that for dirty black holes there are types of scenarios of energy extraction impossible in the Kerr case.

研究の動機と目的

• 理想化されたカー・ブラックホールにおける無限大の中心系エネルギー（BSW効果）が、現実の物質分布（汚れきったブラックホール）を考慮した場合にも成立するかどうかを調査すること。
• このような状況下で、無限に遠くで検出可能な生成粒子の最大エネルギーと質量を特定すること。
• 理想化されたカー・ブラックホールにおけるペネローズ過程とBSW効果と比較して、汚れきったブラックホールにおけるエネルギー抽出効率を評価すること。
• 標準的なカー幾何学では不可能なが、汚れきったブラックホールでは可能となる、新たなエネルギー抽出メカニズムを同定すること。

提案手法

• 一般の物質分布（汚れきったブラックホール）を有する回転する極限ブラックホールの事象の地平線近傍における粒子衝突ダイナミクスの分析、近傍幾何学を用いて。
• 中心系エネルギー E_{c.m.} および無限に遠くで検出可能な生成粒子のエネルギーに対する上限の導出。
• エネルギーの上限を支配する近傍幾何学的挙動を記述する2つの主要なパラメータの同定。
• 物質由来のずれがもたらす違いを強調するため、標準的なカー度様の結果と比較。
• 一般相対性理論に基づく衝突ダイナミクスと、曲がった時空におけるエネルギー運動量保存則の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極限ブラックホールの近傍における粒子衝突の中心系エネルギーの、天体物理学的に関連する上限は何か？
• RQ2 汚れきったブラックホール（周囲の物質が存在する状態）では、理想化されたカー・ブラックホールと比較してBSW効果の実現可能性はどのように変化するか？
• RQ3 現実のブラックホール環境下で、粒子衝突によるエネルギー抽出が無限に遠くで顕著な正のエネルギー増幅をもたらすことは可能か？
• RQ4 標準的なカー幾何学では禁止されているが、汚れきったブラックホールでは可能となるエネルギー抽出メカニズムは存在するか？

主な発見

• 一般の汚れきったブラックホールでは、事象の地平線近傍における粒子衝突の中心系エネルギー E_{c.m.} は有限であり、近傍幾何学的構造によって制限される。
• 無限に遠くで検出可能な生成粒子の最大エネルギーは制限されており、わずかで、近傍幾何学を特徴付ける2つのパラメータにのみ依存する。
• 衝突による正のエネルギー増幅は可能であるが、理想化されたカー・ブラックホールにおける無限大に達するBSW効果が予測する値とは著しく小さい。
• 本研究の結果は、以前のカー度様に関する知見を、周囲の物質を有するより現実的なブラックホールモデルに一般化したものである。
• 汚れきったブラックホールでは、標準的なカー幾何学では不可能な新たなエネルギー抽出シナリオが出現し、これが新たな天体物理学的エネルギー放出経路を示唆している。