[论文解读] 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 4

一句话总结

本文研究了在旋转极端黑洞附近粒子碰撞中的能量提取，表明对于普遍的‘脏’黑洞（被物质包围的黑洞），中心质心能量和可检测产物粒子的能量均受到限制。与理想化Kerr黑洞中无界的BSW效应不同，现实物质分布施加了严格限制，导致在无穷远处可检测到的能量增益仅适中。

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.

研究动机与目标

• 研究当考虑现实物质分布（即‘脏’黑洞）时，极端黑洞附近粒子碰撞中无界的中心质心能量（BSW效应）是否仍然可行。
• 确定在该情形下，可在无穷远处检测到的产物粒子的最大能量和质量。
• 比较‘脏’黑洞中的能量提取效率与理想化Kerr黑洞中的Penrose过程和BSW效应。
• 识别在‘脏’黑洞中存在但在标准Kerr几何中不可能实现的新能量提取机制。

提出的方法

• 利用近视界几何结构，分析具有普遍物质分布（即‘脏’黑洞）的旋转极端黑洞视界附近的粒子碰撞动力学。
• 推导出中心质心能量 E_{c.m.} 和可在无穷远处检测到的产物粒子能量的上界。
• 识别出两个关键参数，用于表征近视界度规行为并决定能量上限。
• 将结果与标准Kerr度规情形进行比较，突出物质引起的偏离所导致的差异。
• 使用广义相对论中的碰撞动力学及弯曲时空中的能量-动量守恒。

实验结果

研究问题

• RQ1 在极端‘脏’黑洞附近粒子碰撞中，中心质心能量的天体物理相关上界是什么？
• RQ2 与理想化Kerr黑洞相比，周围物质的存在（即‘脏’黑洞）如何影响BSW效应的可行性？
• RQ3 在现实黑洞环境中，通过粒子碰撞的能量提取是否能在无穷远处产生显著的正向能量增益？
• RQ4 是否存在在‘脏’黑洞中存在但在标准Kerr几何中被禁止的能量提取机制？

主要发现

• 对于普遍的‘脏’黑洞，粒子碰撞在视界附近的中心质心能量 E_{c.m.} 保持有限，并由近视界度规结构所限制。
• 可在无穷远处检测到的产物粒子的最大能量受到限制且适中，仅取决于表征近视界度规的两个参数。
• 碰撞中产生正向能量增益是可能的，但显著小于理想化Kerr黑洞中无界BSW效应所预测的值。
• 本结果将先前针对Kerr度规的发现推广至包含周围物质的更真实黑洞模型。
• 在‘脏’黑洞中出现了在标准Kerr情形下不可能存在的新型能量提取情景，表明存在新的天体物理能量释放途径。