[논문 리뷰] On energetics of particle collisions near black holes: BSW effect versus Penrose process

О. Б. Заславский|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 20.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 회전하는 극한 블랙홀 근처에서 입자 충돌을 통한 에너지 추출을 조사하며, 일반적인 '더러운' 블랙홀(물질에 둘러싸인 블랙홀)의 경우 중심질량에너지와 무한한 곳에서 감지 가능한 제품 입자 에너지가 유한한 상한선을 가짐을 보여준다. 이상적인 케르 블랙홀에서의 무한대에 이르는 BSW 효과와는 달리, 현실적인 물질 분포는 엄격한 제한을 가하며, 이로 인해 무한한 곳에서 감지 가능한 에너지 수득은 제한적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 극한 블랙홀 근처에서 입자 충돌 시 무한대의 중심질량에너지(BSW 효과)가 현실적인 물질 분포(더러운 블랙홀)를 고려할 때에도 유지 가능한지 조사하는 것.
• 이러한 상황에서 무한한 곳에서 감지 가능한 제품 입자의 최대 에너지와 질량을 결정하는 것.
• 이dealized 케르 블랙홀에서의 펜로즈 과정과 BSW 효과와 비교하여 더러운 블랙홀에서의 에너지 추출 효율성을 평가하는 것.
• 표준 케르 기하학에서는 불가능한, 더러운 블랙홀에서만 가능한 새로운 에너지 추출 메커니즘을 식별하는 것.

제안 방법

• 일반적인 물질 분포를 가진 회전 극한 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 입자 충돌 역학을 분석하고, 근접지평선 기하학을 사용하는 것.
• 무한한 곳에서 감지 가능한 중심질량에너지 E_{c.m.}와 제품 입자 에너지의 상한선을 유도하는 것.
• 에너지 상한선을 결정하는 근접지평면 메트릭의 행동을 기술하는 두 가지 핵심 매개변수를 식별하는 것.
• 물질에 의해 유도된 편차로 인한 차이를 부각하기 위해 결과를 표준 케르 메트릭 사례와 비교하는 것.
• 곡선 시공간 내에서의 일반 상대성 이론 기반 충돌 역학과 에너지-운동량 보존 법칙을 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극한 더러운 블랙홀 근처에서 입자 충돌 시 중심질량에너지에 대한 천체물리학적으로 관련 있는 상한선은 무엇인가?
• RQ2 더러운 블랙홀의 존재가 이상적인 케르 경우와 비교해 BSW 효과의 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현실적인 블랙홀 환경에서 입자 충돌을 통한 에너지 추출이 무한한 곳에서 상당한 양의 순 에너지 수득을 가능하게 하는가?
• RQ4 표준 케르 기하학에서는 금지되어 있는, 더러운 블랙홀에서만 가능한 에너지 추출 메커니즘은 존재하는가?

주요 결과

• 일반적인 더러운 블랙홀의 경우, 사건의 지평선 근처에서의 입자 충돌 시 중심질량에너지 E_{c.m.}는 유한하며 근접지평면 메트릭의 구조에 의해 제한된다.
• 무한한 곳에서 감지 가능한 제품 입자의 최대 에너지는 제한되어 있으며, 근접지평면 메트릭을 기술하는 두 매개변수에만 의존한다.
• 충돌로 인한 양의 에너지 수득은 가능하지만, 이상적인 케르 블랙홀에서 예측한 무한대의 BSW 효과에 비해 크게 작다.
• 이 결과는 이전의 케르 메트릭에 대한 발견을 더 현실적인 물질을 둘러싸고 있는 블랙홀 모델로 일반화한 것이다.
• 표준 케르 경우에서는 불가능한 새로운 에너지 추출 시나리오가 더러운 블랙홀에서 나타나며, 이는 새로운 천체물리적 경로를 통한 에너지 방출 가능성을 시사한다.