Maximal Efficiency of Collisional Penrose Process with Spinning Particle II
我们分析了极端Kerr黑洞周围ISCO轨道上的粒子与来自无穷远的粒子碰撞的Penrose过程。我们考虑非自旋和自旋粒子的两种情况。我们评估的最大效率，$η_{\text{max}}=(\text{extracted energy})/(\text{input energy})$，两个大质量粒子的弹性碰撞和光电过程中，ISCO粒子将逃逸到无穷大后，碰撞与无质量的碰撞粒子。对于非旋转粒子，弹性碰撞的最大效率为$η_{\text{max}} \approx 2.562$，光电子过程的最大效率为$η_{\text{max}} \approx 7$。而对于自旋粒子，我们得到了弹性碰撞的最大效率$η_{\text{max}} \approx 8.442$和光电发射过程的最大效率$η_{\text{max}} \approx 12.54$。
2020-01-19 gr-qc
Revisiting collisional Penrose processes in term of escape probabilities for spinning particles
我们首先研究了Kerr黑洞发射的自旋粒子的逃逸几率，发现在极端Kerr黑洞周围，逃逸几率随粒子自旋的增大而增大;相反，在视界附近，逃逸几率随粒子自旋的增大而减小，而在远离视界的位置，逃逸几率随粒子自旋的增大而增大.然后，我们探讨的逃逸概率和能量提取效率的碰撞彭罗斯过程的粒子与不同的自旋之间的关系。对于极端Kerr黑洞，效率随逃逸几率的增大而增大;对于非极端Kerr黑洞，近视界效率随逃逸几率的增大而减小，而能层效率随逃逸几率的增大而增大.在事件视界极限下，我们还发现在碰撞彭罗斯过程中产生的自旋粒子的平均逃逸几率随Kerr黑洞的旋转参数而减小。
2020-08-13 gr-qc hep-th
Collisional Penrose process near the horizon of extreme Kerr black holes
粒子在黑洞能球中的碰撞可能会导致任意大的质心能量。这导致最近的建议（Banados等人，2009），黑洞可以充当终极粒子加速器。如果一个出射粒子的能量大于落射粒子的总能量，那么多余的能量一定来自于黑洞的转动能，因此这一定涉及彭罗斯过程。然而，当质心能量发散时，碰撞的位置使高能粒子不可能逃逸到无穷远。根据早先关于碰撞彭罗斯过程的工作（Piran & Shaham 1977），我们证明了即使在最有利的理想条件下，逃逸粒子的最大能量也只是碰撞粒子的总初始能量的一个适度的因子。这意味着人们不应该期望黑洞周围的碰撞会成为壮观的宇宙加速器。
2012-08-12 astro-ph.HE gr-qc
Ultra-high-energy debris from the collisional Penrose process
克尔度规发现后不久，彭罗斯意识到可以利用超辐射从黑洞中提取能量。最初的想法（涉及单个粒子的分裂）只产生适度的能量增益。彭罗斯过程的一个变体是在能区的粒子碰撞。最近，在暗物质搜索的背景下，对碰撞彭罗斯过程进行了探索，得出的结论是，在无穷远处检测到的碰撞后粒子的能量与碰撞粒子的能量之间的比率$η$应该是适度的（$η\lesssim 1.5$）。Schnittman已经表明，这些研究将最大效率低估了大约一个数量级（即，$η\lesssim 15$）。在这项工作中，我们表明，在快速旋转的黑洞附近的粒子碰撞可以产生高能量的喷出物，并导致在更一般的条件下的高效率。这些事件的天体物理可能性值得进一步研究，但我们的研究暗示了碰撞彭罗斯过程可能为伽马射线和超高能宇宙射线提供动力的诱人可能性。
2015-05-18 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Rapidly rotating spacetimes and collisional super-Penrose process
我们考虑一般的轴对称旋转时空和检查粒子碰撞的ergoregion。所得结果是一般的，并与在N中旋转Teo虫孔的特殊情况下所得结果一致。Tsukamoto和C. Bambi，Phys.Rev.D91，104040（2015）.它表明，足够快的旋转，逃逸到无穷大的粒子的能量可以成为任意大（所谓的超彭罗斯过程）。此外，该能量通常比碰撞粒子的质心能量大得多。从这个意义上讲，情况与黑洞附近的碰撞完全不同。
2016-05-10 astro-ph.HE gr-qc hep-th
On the maximal efficiency of the collisional Penrose process
在碰撞彭罗斯过程中（发生在克尔黑洞的能层内的碰撞），质心（CM）能量在适当的极端条件下（最大克尔、近视界碰撞和适当的碰撞参量）可以发散。我们提出了CM能量的解析表达式，精炼文献中给出的表达式。即使CM能量发散，我们表明，最大的能量所达到的粒子逃脱黑洞的引力，并达到无穷大是适度的。我们得到了一个解析表达式的能量逃逸粒子碰撞彭罗斯过程中产生的，并应用它来获得最大能量和最大效率的几个物理场景：对湮灭，康普顿散射，和弹性散射的两个大质量粒子。在所有物理上合理的情况下（即入射粒子最初从无穷远落向黑洞），最大能量（以及相应的效率）只比入射粒子的静止质量能量大一个数量级。发现的最大效率为~ 13.92，它是由一个有质量的粒子的一个无质量的粒子的散射获得的。
2016-01-28 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Maximal Efficiency of Collisional Penrose Process with Spinning Particles
分析了自旋粒子在极端Kerr黑洞中的碰撞Penrose过程。我们考虑两个粒子从无穷远坠入黑洞并在黑洞附近碰撞。对于两个大质量粒子的碰撞，当粒子的自旋分别为$s_1 \approx 0.01379μM$和$s_2 \approx -0.2709μM$时，我们得到了最大效率约为$η_{max} = (\text{extracted energy})=(\text{input energy}) \approx 15.01$，是非自旋粒子碰撞（$η_{max} \approx 6.32$）的两倍多.我们还计算了无自旋的无质量粒子和有自旋的有质量粒子的碰撞（康普顿散射），发现当$s_2 \approx -0.2709μM$时，最大效率为$η_{max} \approx 26.85$，这应该与无自旋情况下的$η_{max} \approx 13.93$进行比较.
2018-09-20 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Maximum efficiency of the collisional Penrose process
研究了两个在赤道面上运动的粒子在一般静止旋转轴对称极值黑洞附近的碰撞。其中一个粒子是关键的（具有微调的参数），并向外移动。第二个粒子（通常，没有微调）来自无穷大。我们研究了碰撞彭罗斯过程的效率$η$。这里有两个相关的情况：（i）碰撞后落入黑洞的粒子很重，（ii）它有有限的质量。我们证明了情形（ii）中的$η$的最大值小于或等于情形（i）中的最大值。有人认为，对于超重粒子，该约束也适用于非赤道运动。作为一个例子，我们分析碰撞的Kerr-Newman背景。当过程（i）和（ii）的界限相同时，该度量的$η=3$。对于Kerr黑洞，得到了最近文献中的结果.
2016-09-21 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Upper bound on the center-of-mass energy of the collisional Penrose process
以下有趣的工作Bañados，丝绸，和西方[物理学。{ \bf 103}，111102（2009）]，在物理学文献中反复陈述，在最大旋转黑洞时空中的两个碰撞粒子的质心能量${\cal E}_{\text{c.m}}$可以无限增长。为了让这种极端的情况发生，粒子必须在黑洞视界发生碰撞。在本文中，我们表明，索恩著名的箍猜想排除了这种极端的情况下发生在现实的黑洞时空。特别是，它表明，一个新的（和更大的）视界形成{ \it之前}的下落粒子到达原来的黑洞的视界。因此，碰撞彭罗斯过程的质心能量是由简单的标度关系${\cal E}^{\text{max}}_{\text{c.m}}/2μ\propto(M/μ)^{1/4}$从上到下的{ \it有界}，其中$M$和$μ$分别是中心黑洞的质量和碰撞粒子的固有质量。
2016-09-21 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Consistent analytic approach to the efficiency of collisional Penrose process
本文提出了一种自洽的分析方法，讨论了最大转动Kerr黑洞附近的碰撞Penrose过程的效率。我们专注于任意高质心能量的碰撞，如果碰撞粒子的角动量微调到进入视界的临界值，就会发生这种碰撞。我们发现，如果微调粒子是进入碰撞，效率的上限是$(2+\sqrt{3})(2-\sqrt{2})\simeq 2.186$，而如果微调粒子反弹碰撞前，上限是$(2+\sqrt{3})^{2}\simeq 13.93$。尽管先前的说法，前者可以实现逆康普顿散射，如果微调粒子是质量和开始在无穷远静止，而后者可以实现各种粒子反应，如逆康普顿散射和对湮灭，如果微调粒子是无质量或高度相对论性在无穷远。我们讨论了目前和以前的分析之间的差异。
2016-07-27 astro-ph.HE gr-qc hep-th
High efficiency of collisional Penrose process requires heavy particle production
当两个粒子在极端Kerr黑洞事件视界附近碰撞时，它们的质心能量可以变得任意大，这被称为Ba $\rm \tilde n$ ados-Silk-West（BSW）效应.我们考虑这样一个从无穷远处开始的两个粒子在赤道平面内遵循测地线的高能碰撞，并研究了这样一个高能粒子碰撞的能量提取和赤道平面内粒子的产生。我们分析表明，一方面，如果所产生的粒子是作为碰撞粒子的质量，能量提取效率是有界的$2.19$近似。另一方面，如果作为高能碰撞的结果要产生具有负能量并且必然落入黑洞的非常大质量的粒子，则能量提取效率的上限增加到$(2+\sqrt{3})^2 \simeq 13.9$。因此，更高的能量提取效率（通常高达10）为重粒子的产生提供了强有力的证据。
2015-10-31 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Infinite efficiency of collisional Penrose process: Can over-spinning Kerr geometry be the source of ultra-high-energy cosmic rays and neutrinos ?
我们在地球上接收到的来自外太空的超高能粒子，如EeV宇宙射线和PeV中微子的起源仍然是一个谜。目前我们所知的所有机制都利用电磁相互作用来加速带电粒子。在本文中，我们提出了一种机制，完全基于重力，而不是电磁相互作用。我们表明，它是可能的，以产生超高能粒子从中等能量的粒子使用碰撞彭罗斯过程中的超自旋克尔时空超越克尔约束只有无限小的量，即，用克尔参数$a=M(1+ε)$，其中我们取极限$ε\rightarrow 0^+$。我们考虑两个有质量的粒子从静止的无穷远处出发，在$r=M$碰撞，质心能量发散，产生两个无质量的粒子。我们发现，在碰撞中产生的无质量粒子可以逃脱到无限大的超高能量利用碰撞彭罗斯过程的发散效率$η\sim {1}/{\sqrtε} \rightarrow \infty$。假设无质量粒子在碰撞粒子的质心系中各向同性发射，我们证明了在碰撞中产生的粒子中有一半以发散的能量逃逸到无穷远。对于远处的观察者来说，超高能粒子似乎起源于一个亮点，该亮点位于相对于朝向观察者旋转的一侧的奇点的角位置$ξ\sim {2M}/{r_{obs}}$。我们表明，在发射的各向异性的质心框架，这是由基础粒子物理过程的微分截面，留下一个区域签名的超高能无质量粒子的光谱。因此，它为基本粒子物理学提供了独特的探索。
2016-05-10 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Collisional super-Penrose process and Wald inequalities
我们考虑两个有质量的粒子在轴对称静止时空的赤道面上碰撞，碰撞后产生两个无质量的粒子。这意味着视界是不存在的，但有一个裸奇点或另一个潜在的障碍，使迎面碰撞成为可能。分析了质心系$E_{c.m.}$中的能量与在无穷远处测得的Killing能$E$之间的关系。从Wald不等式可以直接得出无界$E$仅对无界$E_{c.m.}$是可能的。如果时空接近视界形成的阈值，这就可以实现。不同类型的时空（黑洞、裸奇点、虫洞）对应着$E_{c.m.}$和$E$之间不同的可能关系。我们开发了一个通用的方法，使我们能够描述碰撞过程中的固定观测器和ZAMO（零角动量观测器）的框架。导出了逃逸锥和逃逸分数。对亮点的存在给出了简单的解释。对于Kerr度规的特殊情况，我们的结果与以前在M. Patil，T. Harada，K. Nakao，P.S. Joshi和M. Kimura，Phys. Rev. D 93，104015（2016）。
2017-08-26 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Particle collisions in ergoregion of braneworld Kerr black hole
本文研究了膜世界Kerr黑洞能区的中性粒子运动和碰撞Penrose过程。分析了事件视界、能层和静态极限的性质。研究了在能区中粒子碰撞的Penrose过程。此外，我们还研究了负能态，证明了粒子能量的符号可以由角动量的符号唯一确定。此外，我们还研究了Wald不等式，确定了通过Penrose过程提取能量的极限，并找到了不可约质量的下界。给出了膜Kerr黑洞的能量提取效率的表达式，并与Kerr黑洞的结果进行了比较。结果表明，效率随黑洞的转动和膜参数b的增大而增大。
2021-01-05 gr-qc
Super-Penrose collisions are inefficient - a Comment on: Black hole fireworks: ultra-high-energy debris from super-Penrose collisions
在几周前发表在arXiv上的一篇论文中，Berti，Brito和Cardoso \cite{Berti+14}提出，超高能粒子可以从黑洞的能层碰撞中产生。如果这个过程涉及到一个离黑洞非常近的粒子，这就可能发生。显然，这样的粒子不可能从黑洞中出现。\cite{Berti+14}认为这种粒子可以在另一次碰撞中产生。因此，这个过程涉及两次碰撞：一次是在离视界非常近的地方产生出射粒子，另一次是获得能量。因此，这个过程的实际效率应该考虑到产生第一个粒子所需的能量。我们在这里表明，虽然这个过程是运动学上可能的，它需要的能量是发散大的逃逸粒子的能量相比，沉积。因此，与无限高效率的要求相矛盾，组合过程的效率实际上非常小，对于非常高的输出能量接近于零。即使在比\cite{Berti+14}中考虑的条件更一般的条件下，总能量增益也不会发散，并且仅比发生在两个下落粒子\cite{Piran+75,PiranShaham77,Bejger+12}之间的原始碰撞彭罗斯过程的能量增益大几倍
2015-01-08 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Energy extraction from electrovacuum black holes via production of pairs of oppositely charged particles
Universidade de Lisboa（里斯本大学）；Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences（捷克科学院物理研究所）
研究通过碰撞Penrose过程和简化的粒子对产生模型，探讨如何在不依赖精细调节或极端性的情况下，从带电旋转黑洞中提取能量。
2025-11-26 gr-qc
Energetics of particle collisions near dirty rotating extremal black holes: Banados-Silk-West effect versus Penrose process
如果两个粒子在旋转极端黑洞的视界附近碰撞，在一定条件下，质心坐标系中的能量E_{c.m.}可以无限增长（所谓的Banados-Silk-West效应）。我们考虑产生另外两个粒子的碰撞。我们表明，对于一般的脏（周围的物质）黑洞，存在的能量和质量的产品粒子，可以检测到在无穷大的上界。因此，正能量增益是可能的，但相当适度。它主要取决于两个数字，其中编码了度量的近地平线行为。所获得的结果表明天体物理学的限制的可能性观测的碰撞Banados-Silk-West效应的产品。这些结果与最近克尔度规的计算结果一致，并将其扩展到一般的脏黑洞。它表明，对于脏黑洞有类型的方案的能量提取不可能在克尔的情况下。
2012-10-07 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Electric Penrose process and the accretion disk around a 4D charged Einstein-Gauss-Bonnet black hole
本文研究4D带电爱因斯坦-高斯-博内黑洞周围的电彭罗斯过程，揭示GB耦合参数和黑洞电荷对能量提取效率及吸积盘辐射性质的影响，发现4D EGB带电黑洞比爱因斯坦引力中的带电黑洞更高效。
2024-07-31 gr-qc
Penrose and super-Penrose energy extraction from a Reissner-Nordström black hole spacetime with a cosmological constant through the BSW mechanism: Full story
该研究联合分析Penrose过程与BSW机制，探究含不同宇宙学常数的d维极端Reissner-Nordström黑洞中碰撞能量提取问题，发现超Penrose过程特征及宇宙学常数、维度对能量提取的影响。
2024-11-21 astro-ph.HE gr-qc hep-th
High-Energy Extractions from Horizonless Compact Objects
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo（圣保罗大学天文学、地球物理学和大气科学研究所）
本文探讨了无视界致密天体中高能物质提取机制，分析了旋转、电磁场和粒子相互作用对提取效率的影响，并指出裸奇点可能成为强场引力研究和高能天体物理现象的新实验室。
2025-12-01 astro-ph.HE gr-qc
General properties of the electric Penrose process
本研究推导了RN背景下带电粒子Penrose过程中沿母粒子轨迹出射的子粒子的精确特性公式与角动量边界，分类讨论了含近视界衰变在内的情形的效率极值等性质，验证了与Bañados-Silk-West效应的一致性，提出的形式体系具有模型无关性。
2024-05-29 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Revised upper limit to energy extraction from a Kerr black hole
我们提出了一个新的上限的能量，可以提取从克尔黑洞通过粒子碰撞在能层（即，“彭罗斯过程”（Penrose Process）。早期关于这个问题的工作主要集中在具有临界角动量值的粒子从无穷远处落入极端克尔黑洞，并在视界外碰撞。虽然这些碰撞能够达到任意高的质心能量，但反应产物很难逃逸回无穷大，有效地将这种过程的峰值效率限制在大约$130\%$。当我们允许一个初始粒子具有碰撞参量$b > 2M$，从而不被视界捕获时，它能够沿着向外的轨道碰撞，大大增加了产物逃逸的机会。对于等质量粒子湮灭为光子，我们发现$E_{\rm out} \approx 6\times E_{\rm in}$的峰值能量大大增加。对于康普顿散射，利用$E_{\rm out} \approx 14\times E_{\rm in}$，效率甚至可以更高，并且对于重复的散射事件，光子既可以产生{ \it又可以逃逸到具有普朗克尺度能量的无穷大。
2015-06-22 astro-ph.HE gr-qc
Extraction of energy from an extremal rotating electrovacuum black hole: Particle collisions in the equatorial plane
当Banados，Silk和West（BSW）指出在极端旋转的黑洞视界附近可能发生任意高质心能量的试验粒子碰撞时，碰撞彭罗斯过程受到了极大的关注。然而，在这个被称为BSW效应的有希望的（如果简化的话）场景中，可以从黑洞中提取的能量被证明是无条件的上限。虽然在静电变形的过程中没有发现这样的边界，但这个版本在天体物理学上也是不可行的，因为它需要一个最大电荷的黑洞。为了处理这些不足之处，我们重新统一的版本的BSW效应的带电粒子在赤道平面的旋转电真空黑洞时空的碰撞。通过这个过程进行能量提取的一般分析，我们详细解释了如何出现看似不相容的极限情况。此外，我们证明了提取的能量的无条件上限是不存在的任意小值的黑洞电荷。因此，我们的设置代表了一个有趣的简化模型，用于描述天体物理黑洞周围可能发生的高能过程，这些黑洞可能旋转得很快，但通过与外部磁场的相互作用只能产生微小的电荷。
2022-02-27 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Exploring black holes as particle accelerators: hoop-radius, target particles and escaping conditions
旋转黑洞可能是天然的粒子加速器的可能性一直是激烈争论的主题。虽然对于极端克尔黑洞，似乎可以达到任意高的质心能量，但一些研究指出，理论和天体物理的论点都将严重抑制可达到的能量。在这项工作中，我们研究克尔黑洞附近的粒子碰撞，通过审查和扩展到目前为止提出的方案。最值得注意的是，我们将把重点放在最近提出的目标粒子方案上，这些方案声称即使对于史瓦西黑洞也能达到任意高的能量。通过实施箍猜想，我们表明，这些方案涉及近地平线的目标粒子在原则上能够达到，次普朗克，但仍然超高的质量质心能量的顺序$10^{23}-10^{25}$ eV的非极值克尔黑洞。此外，通过分析这种碰撞中产生的粒子的性质，我们发现光子可以逃逸到无穷远。然而，它们的能量仅为碰撞粒子能量的量级，因此相对较低，这与先前文献中关于原始Bañados-Silk-West过程得出的结论相同。这一发现指出了碰撞彭罗斯过程的一般局限性，至少对于它们的初级产物而言是如此。
2022-04-21 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Upper limits of particle emission from high-energy collision and reaction near a maximally rotating Kerr black hole
在最大旋转的黑洞视界附近碰撞的两个粒子的质心能量可以任意高，如果其中一个入射粒子的角动量被微调，我们称之为临界粒子。我们对这种高能碰撞和反应在赤道平面上的粒子发射进行了全面的解析研究。我们表明，发射粒子的能量的无条件的上限是由注入的临界粒子的能量的218.6%，无论反应的细节和这个上限可以实现无质量的粒子发射。作为碰撞彭罗斯过程的这种发射的能量提取效率的上限由146.6%给出，这可以在具有优化质量比的两个大质量粒子的碰撞中实现。此外，我们分析了完全弹性碰撞，康普顿散射，对湮灭和净正能量提取这三个反应是可能的。其中康普顿散射效率最高，可达137.2%.另一方面，我们的结果是定性的与早期的主张，即发射粒子的质量和能量是在最多的数量级的注入粒子的总能量，因此，我们可以观察到超重或超高能粒子。
2012-09-07 astro-ph.HE gr-qc hep-th
