Ergosfera

En astrofísica , la ergosfera es una región ubicada justo fuera de un agujero negro en rotación , entre su horizonte de sucesos y una superficie externa más amplia predicha por la métrica de Kerr que describe estos objetos. Su nombre fue propuesto por Remo Ruffini y John Archibald Wheeler durante las conferencias de Les Houches en 1971 y deriva del griego antiguo ἔργον (ergon), que significa ' trabajo ' . Recibió este nombre porque teóricamente es posible extraer energía y masa de esta región. La ergosfera toca el horizonte de sucesos en los polos de un agujero negro en rotación y se extiende a un radio mayor en el ecuador. Un agujero negro con un momento angular moderado tiene una ergosfera con una forma aproximada a un esferoide achatado , mientras que los giros más rápidos producen una ergosfera con forma de calabaza. El radio ecuatorial (máximo) de una ergosfera es el radio de Schwarzschild , el radio de un agujero negro que no rota. El radio polar (mínimo) es también el radio polar (mínimo) del horizonte de sucesos, que puede ser tan pequeño como la mitad del radio de Schwarzschild para un agujero negro con rotación máxima. ^{[ 2 ]} 

Cuando un agujero negro rota, retuerce el espaciotiempo en la dirección de la rotación a una velocidad que disminuye con la distancia al horizonte de sucesos. ^{[ 3 ]} Este proceso se conoce como el efecto Lense-Thirring o arrastre de marcos . ^{[ 4 ]} Debido a este efecto de arrastre, un objeto dentro de la ergosfera no puede parecer estacionario con respecto a un observador externo a gran distancia a menos que ese objeto se mueva más rápido que la velocidad de la luz (lo cual es imposible) con respecto al espaciotiempo local. La velocidad necesaria para que tal objeto parezca estacionario disminuye a medida que nos alejamos del horizonte de sucesos, hasta que a cierta distancia la velocidad requerida es insignificante.

El conjunto de todos estos puntos define la superficie de la ergosfera, llamada ergosuperficie . La superficie exterior de la ergosfera se llama superficie estática o límite estático . Esto se debe a que las líneas de universo cambian de ser de tipo temporal fuera del límite estático a ser de tipo espacial dentro de él. ^{[ 3 ]} Es la velocidad de la luz la que define arbitrariamente la superficie de la ergosfera. Dicha superficie aparecería como un achatado que coincide con el horizonte de sucesos en el polo de rotación, pero a mayor distancia del horizonte de sucesos en el ecuador. Fuera de esta superficie, el espacio sigue siendo arrastrado, pero a menor velocidad.

Una plomada suspendida , mantenida inmóvil fuera de la ergosfera, experimentará una fuerza radial infinita/divergente a medida que se aproxime al límite estático. En algún momento comenzará a caer, lo que resultará en un movimiento de rotación inducido gravitacionalmente . Una consecuencia de este arrastre espacial es la existencia de energías negativas dentro de la ergosfera.

Dado que la ergosfera se encuentra fuera del horizonte de sucesos, aún es posible que los objetos que ingresen a esa región con la velocidad suficiente escapen de la atracción gravitatoria del agujero negro. Un objeto puede ganar energía al entrar en la rotación del agujero negro y luego escapar de ella, llevándose consigo parte de su energía (lo que hace que la maniobra sea similar al aprovechamiento del efecto Oberth alrededor de objetos espaciales "normales").

Este proceso de extracción de energía de un agujero negro en rotación fue propuesto por el matemático Roger Penrose en 1969 y se denomina proceso de Penrose . ^{[ 5 ]} La cantidad máxima de energía que puede ganar una sola partícula mediante este proceso es del 20,7 % en términos de su masa equivalente, ^{[ 6 ]} y si este proceso se repite con la misma masa, la ganancia máxima de energía teórica se aproxima al 29 % de su masa equivalente original. ^{[ 7 ]} A medida que se extrae esta energía, el agujero negro pierde momento angular, y por lo tanto se aproxima al límite de rotación cero a medida que se reduce el arrastre del espacio-tiempo . En el límite, la ergosfera deja de existir. Este proceso se considera una posible explicación para una fuente de energía de fenómenos energéticos como los estallidos de rayos gamma . ^{[ 8 ]} Los resultados de modelos informáticos muestran que el proceso de Penrose es capaz de producir las partículas de alta energía que se observan emitidas por cuásares y otros núcleos galácticos activos. ^{[ 9 ]}

El tamaño de la ergosfera, la distancia entre la ergosfera y el horizonte de sucesos, no es necesariamente proporcional al radio del horizonte de sucesos, sino más bien a la gravedad del agujero negro y a su momento angular. Un punto en los polos no se mueve y, por lo tanto, no tiene momento angular, mientras que en el ecuador un punto tendría su máximo momento angular. Esta variación del momento angular que se extiende desde los polos hasta el ecuador es lo que le da a la ergosfera su forma achatada. A medida que aumenta la masa del agujero negro o su velocidad de rotación, también aumenta el tamaño de la ergosfera. ^{[ 10 ]}

• Termodinámica de los agujeros negros
• El campo gravitomagnético y los procesos de Penrose
• Un agujero negro giratorio