Penrose mekaniği

Penrose süreci ya da Penrose mekaniği, Roger Penrose tarafından teorileştirilen, dönen bir kara deliğin içindeki enerjiyi çıkarma işlemidir. Çıkarma işlemi mümkündür çünkü kara deliğin dönüş enerjisi kara deliğin olay ufkunun dışında ancak Kerr uzay-zamanında ergosfer denilen bir bölgededir. Bu bölgede parçacıklar dönen uzay-zaman ile uyumlu hareket etmek zorundadır. Ergosferdeki bütün objeler dönen uzay-zaman tarafından sürüklenir. İşlem sırasında bir grup madde ergosfere giriş yapar ve giriş yaptıktan sonra ikiye bölünür. Maddenin iki ayrı parçasının momentumu ayarlanabilir olmalıdır ki parçalardan biri olay ufkunun ötesine, deliğe düşerken diğer parça sonsuzluğa doğru kaçabilsin. Büyük olasılıkla kaçan parçanın kütle-enerjisi, orijinal parçanın kütle-enerjisinin negatif olduğu ele alındığında, daha fazla olacaktır. Özet olarak bu işlem kara deliğin açısal momentumda azalma ile sonuçlanır. Bu azalma bir enerji aktarımına işarettir. Kaybedilen momentum çıkartılan enerjiye dönüşmüştür.
Bu işlem ile tek bir parçacık 20.7%'ye kadar enerji kazanabilir. İşlem kara delik mekanikleri yasalarına uymaktadır. Bu yasaların bir sonucu olarak Penrose süreci tekrar tekrar uygulanabilir, ta ki kara delik bütün açısal momentumunu kaybedip dönmeyen bir kara deliğe dönüşünceye kadar, yani bir Schwarzschild kara deliği. Bu durumda teorik olarak bir kara delikten çıkarılabilecek maksimum enerji kütlesinin 29%'u kadardır. Yüklü ve dönen kara deliklerden daha yüksek verim elde etmek mümkündür.
Ergosferin detayları
Ergosferin dış yüzeyi ışık ışınların, düzeltilmiş bir koordinat sisteminde, kara deliğin dönüşüne bağlı olarak ve dışarıdan bir gözlemciye göre, karşı yönlerde döndüğü bir yüzey olarak tarif edilir. Devasa parçacıklar ışık hızından daha yavaş hareket etmek zorunda olduğundan bu parçacıklar sonsuzda bulunan sabit bir gözlemciye bağımlı olarak dönmelidir. Bu hareketi canlandırmanın bir yolu çarşaf bir kağıdın üzerinde dönen bir çatal hayal etmektir; çatal döndükçe kağıt onun etrafında katlanır. Başka bir deyişle ein iç kısımdaki dönüş dış kısımlara yayılır ve daha büyük bir alanın bozulmasına neden olur. Ergosferin iç sınırına olay ufku adı verilir, bu olay ufku ışığın bile kaçamadığı bir mekansal parametredir.
Ergosferin içinde zaman ve açısal koordinatlar anlamını yitirir (zaman açıya ve açı zamana dönüşür). Bunun nedeni zaman benzeri koordinatların tek yönü olmasıdır (ve kara delikle birlikte hareket bir parçacığın da ancak tek bir yönü olabilir). Bu garip koordinat değişimi yüzünden bir parçacığın enerjisini, sonsuzdaki bir gözlemci hem pozitif hem de negatif olarak varsayabilir.
Eğer bir A parçacığı Kerr kara deliğinin ergosferine girerse B ve C adlı iki parçacığa bölünür, sonuç olarak (enerjinin korunumunun hala işlediği ve parçacıklardan birinin negatif enerjisi olabileceği varsayıldığında) B parçacığı, C parçacığı kara deliğin içine düşerken, ergosferi A parçacığından daha fazla enerjiye sahip olarak terk edebilir. Başka bir deyişle: ve, yani
Bu yöntem sayesinde, dönüş enerjisi kara delikten çıkartılır ve kara deliğin daha düşük bir dönüş hızıyla hareket etmesi sağlanmış olur. Maksimum enerjinin elde edilebilmesi için bölünme işleminin olay ufkunun hemen dışında olmuş olması ve C parçacığının mümkün olan en büyük derecede ters yönde dönüyor olması gerekmektedir.
Bu işlemin tam tersi olarak, bölünmeyen aksine açısal momentumlarını kara deliğe verecek parçacıklar göndererek kara deliğin dönüş hızı arttırılabilir.