磁重联作为从旋转黑洞提取能量的一种机制

旋转黑洞储存着可被提取的转动能。当黑洞浸没于外部供给的磁场中时，能层内磁力线的重联可产生相对于无穷远为负能量的粒子，这些粒子落入黑洞事件视界，而其他粒子逃逸并从黑洞窃取能量。我们解析地证明，当黑洞自旋较高（无量纲自旋 $a\sim1$）且等离子体强磁化（等离子体磁化率 $\sigma_0>1/3$）时，通过磁重联提取能量是可能的。允许能量提取的参数空间区域取决于等离子体磁化率与重联磁力线的取向。对于 $\sigma_0 \gg 1$，被最大旋转黑洞吞没的减速等离子体在无穷远的渐近负能量每焓为 $\epsilon^\infty_- \simeq - \sqrt{\sigma_0/3}$。逃逸至无穷远并带走黑洞能量的加速等离子体在无穷远的渐近能量每焓为 $\epsilon^\infty_+ \simeq \sqrt{3\sigma_0}$。我们表明，逃逸等离子体从黑洞提取的最大功率为 $P_{\rm extr}^{\rm max} \sim 0.1 M^2\sqrt{\sigma_0}\,w_0$（此处 $M$ 为黑洞质量，$w_0$ 为等离子体焓密度），在无碰撞等离子体 regime 下成立，而在碰撞 regime 下低一个数量级。当 $a \sim 1$ 时，能量提取导致黑洞显著自旋下降。在能层内通过磁重联使等离子体获能过程的最大效率为 $\eta_{\rm max} \simeq 3/2$。由于在本文提出的情景中能层内的快速磁重联应间歇发生，在距黑洞几个引力半径内的相关辐射预期呈现爆发性质。