[論文レビュー] On Particle Collisions and Extraction of Energy from a Rotating Black Hole

A. A. Grib, Yu. V. Pavlov|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2010

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 5

ひとこと要約

本稿は回転するブラックホールの周囲における粒子衝突を調査し、中心エネルギーエネルギーが非極限ブラックホールに対しても無限大に達する可能性があることを示している。エネルギー抽出における矛盾を解消するため、ペンローズ過程が高エネルギー粒子が無限にまで脱出可能であることを示し、極限状態でないブラックホールに対してもエネルギー抽出が可能であることを確認している。

ABSTRACT

Scattering of particles in the gravitational field of rotating black holes is considered. It is shown that scattering energy of particles in the centre of mass system can obtain very large values not only for extremal black holes but also for nonextremal ones. Extraction of energy after the collision is investigated. It is shown that due to the Penrose process the energy of the particle escaping the hole at infinity can be large. Contradictions in the problem of getting high energetic particles escaping the black hole are resolved.

研究の動機と目的

• 回転するブラックホールの重力場における粒子散乱を分析し、特に中心エネルギーエネルギーの増大を重点的に調査すること。
• 極限ブラックホールに限らない非極限ブラックホールに対してもペンローズ過程によるエネルギー抽出が可能かどうかを調査すること。
• 文献に見られる高エネルギー粒子がブラックホールから脱出可能かどうかという表面的な矛盾を解消すること。
• 衝突後に大きなエネルギーを獲得し、無限にまで脱出可能な粒子が満たすべき条件を明確にすること。

提案手法

• 時間的・光的軌道の測地線方程式を用いて、カー計量における粒子の運動を分析する。
• 高角運動量および事象の地平線付近の極限において、衝突する粒子の中心エネルギーエネルギーを評価する。
• エネルギーおよび角運動量の保存則を考慮して、衝突後の出射粒子のエネルギーをペンローズ過程を用いて計算する。
• エネルギー抽出効率を比較するために、極限および非極限ブラックホールの両ケースを検討する。
• 事象の地平線付近における漸近的解析を用いて、中心エネルギーエネルギーが無限大に発散する条件および脱出エネルギーが有限である条件を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非極限ブラックホールに対しても、回転するブラックホールの周囲における粒子衝突が、中心エネルギーエネルギーを無限大にまで引き上げる可能性があるか？
• RQ2 ペンローズ過程によるエネルギー抽出は非極限ブラックホールに対しても実現可能か、それとも極限状態に限定されるのか？
• RQ3 衝突後の粒子のエネルギーおよび角運動量は、無限にまで脱出可能な能力にどのように影響を与えるか？
• RQ4 中心エネルギーエネルギーが無限大に発散するのに対し、脱出粒子エネルギーは有限であるという表面的な矛盾は、どのように解消されるか？

主な発見

• 非極限ブラックホールの事象の地平線付近では、衝突する粒子の中心エネルギーエネルギーが無限大に達する可能性がある。
• ペンローズ過程により、粒子は無限にまでエネルギーを伴って脱出可能であり、回転するブラックホールからのエネルギー抽出が可能である。
• 文献に見られる高エネルギー粒子の脱出に関する矛盾は、中心エネルギーエネルギーが発散する一方で、脱出粒子エネルギーは有限かつ抽出可能であることを示すことによって解消される。
• エネルギー抽出は極限ブラックホールに限定されない。非極限の回転ブラックホールに対しても、高エネルギー粒子の生成および脱出が可能である。