إرجوسفير

في الفيزياء الفلكية ، تُعرف منطقة الإرجوسفير بأنها المنطقة الواقعة خارج الثقب الأسود الدوار مباشرةً ، بين أفق الحدث وسطح خارجي آخر تتنبأ به مصفوفة كير التي تصف هذه الأجسام. وقد اقترح ريمو روفيني وجون أرشيبالد ويلر هذا الاسم خلال محاضرات ليه هوش عام 1971، وهو مشتق من الكلمة اليونانية القديمة ἔργον (إرجون) التي تعني " العمل " . وقد سُميت بهذا الاسم لأنه من الممكن نظريًا استخلاص الطاقة والكتلة من هذه المنطقة. تلامس الإرجوسفير أفق الحدث عند قطبي الثقب الأسود الدوار، وتمتد إلى نصف قطر أكبر عند خط الاستواء. يكون شكل الإرجوسفير للثقب الأسود ذي الزخم الزاوي المتوسط ​​أقرب إلى شكل كروي مفلطح ، بينما ينتج عن الدوران الأسرع إرجوسفير أقرب إلى شكل ثمرة اليقطين. نصف القطر الاستوائي (الأقصى) للغلاف الجوي هو نصف قطر شوارزشيلد ، وهو نصف قطر ثقب أسود غير دوار. أما نصف القطر القطبي (الأدنى) فهو أيضاً نصف القطر القطبي (الأدنى) لأفق الحدث، والذي قد يصل إلى نصف نصف قطر شوارزشيلد لثقب أسود يدور بأقصى سرعة. ^{[ 2 ]} 

أثناء دوران الثقب الأسود، يُحدث التواءً في نسيج الزمكان باتجاه الدوران بسرعة تتناقص مع المسافة من أفق الحدث. ^{[ 3 ]} تُعرف هذه العملية بتأثير لينس-ثيرينغ أو سحب الإطار المرجعي . ^{[ 4 ]} وبسبب هذا التأثير، لا يمكن لجسم داخل الإرجوسفير أن يبدو ثابتًا بالنسبة لمراقب خارجي على مسافة بعيدة إلا إذا تحرك هذا الجسم بسرعة تفوق سرعة الضوء (وهو أمر مستحيل) بالنسبة للزمكان المحلي. تتناقص السرعة اللازمة لظهور مثل هذا الجسم ثابتًا عند النقاط الأبعد عن أفق الحدث، حتى تصبح السرعة المطلوبة ضئيلة عند مسافة معينة.

تُحدد مجموعة جميع هذه النقاط سطح الإرجوسفير، ويُسمى سطح الإرجوسفير . يُطلق على السطح الخارجي للإرجوسفير اسم السطح الساكن أو الحد الساكن . وذلك لأن خطوط العالم تتغير من كونها زمنية خارج الحد الساكن إلى كونها مكانية داخله. ^{[ 3 ]} سرعة الضوء هي التي تُحدد سطح الإرجوسفير بشكل اعتباطي. سيظهر هذا السطح على شكل بيضاوي مفلطح يتطابق مع أفق الحدث عند قطب الدوران، ولكنه على مسافة أكبر من أفق الحدث عند خط الاستواء. خارج هذا السطح، لا يزال الفضاء مُعرَّضًا للانجراف، ولكن بمعدل أقل.

سيتعرض ثقل معلق ، مثبت خارج نطاق الإرجوسفير، لقوة جذب شعاعية لا نهائية/متزايدة كلما اقترب من حد السكون. عند نقطة معينة، سيبدأ بالسقوط، مما يؤدي إلى حركة دورانية ناتجة عن الجاذبية والمغناطيسية . ومن تبعات هذا السحب للفضاء وجود طاقات سالبة داخل الإرجوسفير.

بما أن منطقة الإرجوسفير تقع خارج أفق الحدث، فإنه لا يزال بإمكان الأجسام التي تدخل هذه المنطقة بسرعة كافية الإفلات من جاذبية الثقب الأسود. يمكن للجسم أن يكتسب طاقةً بالدخول في دوران الثقب الأسود ثم الإفلات منه، وبالتالي يأخذ معه جزءًا من طاقة الثقب الأسود (مما يجعل هذه المناورة مشابهة لاستغلال تأثير أوبرث حول الأجسام الفضائية "العادية").

اقترح عالم الرياضيات روجر بنروز في عام 1969 عملية إزالة الطاقة من ثقب أسود دوّار، وتُعرف هذه العملية باسم عملية بنروز . ^{[ 5 ]} تبلغ أقصى كمية طاقة يمكن أن يكتسبها جسيم واحد عبر هذه العملية 20.7% من مكافئ كتلته، ^{[ 6 ]} وإذا تكررت هذه العملية مع نفس الكتلة، فإن أقصى طاقة نظرية يمكن اكتسابها تقترب من 29% من مكافئ طاقة كتلتها الأصلية. ^{[ 7 ]} مع إزالة هذه الطاقة، يفقد الثقب الأسود زخمه الزاوي، وبالتالي يقترب من حد الدوران الصفري مع انخفاض مقاومة الزمكان . في هذه الحالة، تختفي منطقة الإرجوسفير. تُعتبر هذه العملية تفسيرًا محتملاً لمصدر طاقة ظواهر عالية الطاقة مثل انفجارات أشعة غاما . ^{[ 8 ]} تُظهر نتائج النماذج الحاسوبية أن عملية بنروز قادرة على إنتاج الجسيمات عالية الطاقة التي تُلاحظ انبعاثها من الكوازارات وغيرها من النوى المجرية النشطة. ^{[ 9 ]}

لا يتناسب حجم الإرجوسفير، أي المسافة بين سطح الإرجوسفير وأفق الحدث، بالضرورة مع نصف قطر أفق الحدث، بل مع جاذبية الثقب الأسود وعزمه الزاوي. فالنقطة عند القطبين لا تتحرك، وبالتالي ليس لها عزم زاوي، بينما عند خط الاستواء يكون لها أكبر عزم زاوي. هذا التباين في العزم الزاوي، الممتد من القطبين إلى خط الاستواء، هو ما يُعطي الإرجوسفير شكله المفلطح. ومع ازدياد كتلة الثقب الأسود أو سرعة دورانه، يزداد حجم الإرجوسفير أيضًا. ^{[ 10 ]}

• الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء
• المجال المغناطيسي الجاذبي وعمليات بنروز
• ثقب أسود دوار