磁化 Kerr 时空中的磁 Penrose 过程

如果浸没在 mG 量级的磁场中，磁 Penrose 过程（MPP）在从 Kerr 黑洞提取能量时可以具有极高的效率（效率甚至可以超过 $100\%$）。考虑磁化 Kerr 时空的精确解，我们在此推导了 MPP 效率（$\eta_{\rm MPP}$）的精确表达式，该表达式对 Kerr 黑洞（BH）和 Kerr 超自旋体（SS）均适用，且适用于从弱磁场到甚至可以扭曲原始 Kerr 几何的超强磁场（$B$）的范围。我们表明，对于 Kerr BH，尽管 $\eta_{\rm MPP}$ 的值在超强磁场达到某个特定值（$B_p$）之前会随之增大，但当 $B > B_p$ 时，它会降至零。另一方面，对于 Kerr SS，$\eta_{\rm MPP}$ 表现出相反的行为。出现的一个有趣特征是，$\eta_{\rm MPP}$ 在 Kerr 参数 $a_* \approx 0.786$ 时取得最大值（不同于普通 Penrose 过程的 $a_*=1$），并在 $0.786 < a_* \leq 1$ 时减小。这表明 BH 在 $a_* > 0.786$ 时开始排斥磁场效应，并且由于引力 Meissner 效应，磁场被完全排斥出极端 Kerr BH。作为 MPP 的一个特例，我们还研究了磁化 Kerr 时空中的普通 Penrose 过程（PP）。我们表明，在弱磁场下，Kerr BH 的 MPP、Kerr SS 的 MPP 以及 Kerr SS 的普通 PP 在为活动星系核和类星体等高能天体源中的引擎提供能量的天体物理应用中可以是超高效的。我们的 MPP 强磁场结果可能对浸没在原初磁场中的早期宇宙原初 BH，以及由磁化前身坍缩和/或合并形成的嬗变 BH 具有重要意义。在超强磁场下，几乎不可能通过 MPP（PP）从 BH（SS）中提取能量。