عملية بنروز

تُعرف عملية بنروز (أو آلية بنروز) بأنها نظرية وضعها السير روجر بنروز ، وهي وسيلة لاستخلاص الطاقة من ثقب أسود دوّار . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} تستغل هذه العملية منطقة الإرجوسفير ، وهي منطقة من الزمكان تحيط بالثقب الأسود وتنجذب بفعل دورانه بسرعة تفوق سرعة الضوء ، مما يعني أنه من وجهة نظر مراقب خارجي، تُجبر أي مادة داخل هذه المنطقة على التحرك في اتجاه دوران الثقب الأسود. ^{[ 4 ]}

خلال هذه العملية، يسقط جسم عامل (الخط الأسود السميك في الشكل) في منطقة الإرجوسفير (المنطقة الرمادية). عند أدنى نقطة له (النقطة الحمراء)، يطلق الجسم مادة دافعة للخلف؛ ومع ذلك، بالنسبة لمراقب بعيد، يبدو كلاهما وكأنهما يستمران في التحرك للأمام بسبب تأثير سحب الإطار المرجعي (وإن كان بسرعات مختلفة). تتباطأ المادة الدافعة، فتسقط (الخط الرمادي الرفيع) إلى أفق حدث الثقب الأسود (القرص الأسود). أما بقايا الجسم، فتتسارع، فتطير بعيدًا (الخط الأسود الرفيع) حاملةً معها فائضًا من الطاقة (يفوق بكثير فقدان المادة الدافعة والطاقة المستخدمة لإطلاقها).

تبلغ أقصى كمية طاقة يمكن اكتسابها من تحلل جسيم واحد عبر عملية بنروز الأصلية (أو الكلاسيكية) 20.7% من كتلته في حالة الثقب الأسود غير المشحون (بافتراض أفضل حالة دوران للثقب الأسود). ^{[ 5 ]} تُستمد الطاقة من دوران الثقب الأسود، لذا يوجد حد أقصى لكمية الطاقة التي يمكن استخلاصها بواسطة عملية بنروز والاستراتيجيات المشابهة (بالنسبة للثقب الأسود غير المشحون، لا تتجاوز 29% من كتلته الأصلية؛ ^{[ 6 ]} ويمكن تحقيق كفاءات أعلى للثقوب السوداء الدوارة المشحونة ^{[ 7 ]} ).

السطح الخارجي للغلاف الإرجوسي هو السطح الذي يبقى عنده الضوء المتحرك في الاتجاه المعاكس لدوران الثقب الأسود عند إحداثية زاوية ثابتة، وفقًا لمراقب خارجي. وبما أن الجسيمات الضخمة تتحرك بالضرورة أبطأ من الضوء، فإنها ستتحرك بالضرورة مع دوران الثقب الأسود. أما الحد الداخلي للغلاف الإرجوسي فهو أفق الحدث، وهو المحيط المكاني الذي لا يستطيع الضوء تجاوزه.

داخل منطقة الإرجوسفير، حتى الضوء لا يستطيع مواكبة دوران الثقب الأسود، إذ تصبح مسارات الأجسام الثابتة (من منظور خارجي) أشبه بمسارات الفضاء، بدلاً من مساراتها الزمنية (كما هو الحال في المادة العادية)، أو مساراتها الضوئية. رياضياً، ^{يتغير مُركِّب} dt² للمقياس إشارته داخل الإرجوسفير. وهذا يسمح للمادة بامتلاك طاقة سالبة داخل الإرجوسفير طالما أنها تتحرك عكس دوران الثقب الأسود بسرعة كافية (أو، من منظور خارجي، تقاوم الانجراف معه بدرجة كافية). تستغل آلية بنروز ذلك بالغوص في الإرجوسفير، وإلقاء جسم مُزوَّد بطاقة سالبة، ثم العودة بطاقة أكبر من ذي قبل.

بهذه الطريقة، تُستخلص الطاقة الدورانية من الثقب الأسود، مما يؤدي إلى تباطؤ دورانه. ويُستخلص أقصى قدر من الطاقة (لكل كتلة الجسم المقذوف) عندما يدور الثقب الأسود بأقصى سرعة، حيث يلامس الجسم أفق الحدث ويتحلل إلى حزمتين ضوئيتين تتحركان للأمام والخلف (تخرج الأولى من الثقب الأسود، بينما تسقط الثانية داخله). ^{[ 5 ]}

في عملية إضافية، يمكن تسريع دوران الثقب الأسود (زيادة سرعته الدورانية) عن طريق إرسال جسيمات لا تنقسم، بل تُعطي زخمها الزاوي بالكامل للثقب الأسود. مع ذلك، لا تُعد هذه العملية عكس عملية بنروز، إذ أن كلتيهما تزيدان من إنتروبيا الثقب الأسود عن طريق قذف المادة إليه.

• عملية بلاندفورد-زناجيك – شرح لكيفية توليد الطاقة في الكوازارات 
• إشعاع هوكينغ – تأثير كوني كمي افتراضي 
• فيلم "هاي لايف" (High Life) ، وهو فيلم خيال علمي صدر عام 2018، ويتضمن مهمة لتسخير هذه العملية
• قنبلة الثقب الأسود – تأثير فيزيائي يحدث عندما تنحصر الأنماط فائقة الإشعاع حول ثقب أسود دوار 
• آلية هيلز – تأثير الثقب الأسود على النجم الثنائي 
• تضخيم زيلدوفيتش – تضخيم الموجات في الأجسام الدوارة 

• تشاندراسيكار، سوبرامانيان (1998). النظرية الرياضية للثقوب السوداء . نصوص أكسفورد الكلاسيكية في العلوم الفيزيائية. مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-850370-5.
• كارول، شون م. (2003). الزمكان والهندسة: مقدمة في النسبية العامة . سان فرانسيسكو: أديسون-ويسلي. ISBN 978-0-8053-8732-2. OCLC 53245141 .