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블랜포드-즈나이엑 과정

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목차

1. 개요

블랜포드-즈나이엑 과정은 회전하는 블랙홀에서 에너지와 각운동량을 추출하는 메커니즘이다. 이 과정은 블랙홀 주변의 강한 폴로이드 자기장을 가진 강착 원반과 에르고스피어의 상호작용을 통해 일어난다. 에르고스피어는 자기권을 회전시켜 에너지 추출을 가능하게 하며, 자기장의 세기, 슈바르츠실트 반지름, 각속도 등을 통해 추출되는 에너지의 양을 추정할 수 있다.

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블랜포드-즈나이엑 과정
개요
이름블랜포드-즈나이엑 과정
로마자 표기Beullaenpodeu-jeu-naiek gwajeong
유형블랙홀 에너지 추출 메커니즘
작동 원리
주요 개념회전하는 블랙홀
강착 원반
자기장
에너지 추출 메커니즘블랙홀의 회전 에너지 추출
자기장을 통한 에너지 및 각운동량 운반
제트 형성
관련 인물
주요 제안자로저 블랜포드
로만 즈나이엑
응용
천체 물리학퀘이사
활동 은하핵
감마선 폭발
추가 정보
중요성블랙홀에서 막대한 에너지가 방출되는 현상 설명
관련 연구블랙홀 물리학, 강착 이론, 자기유체역학

2. 메커니즘의 물리학

블랜포드-즈나이엑 과정은 펜로즈 과정과 유사하게 블랙홀의 회전 에너지를 추출하는 주요 메커니즘 중 하나로 여겨진다. 이 과정의 핵심에는 블랙홀 주변의 특정 영역인 에르고스피어와 강력한 자기장의 상호작용이 있다.[8]

이 과정이 일어나기 위해서는 회전하는 블랙홀 주변에 강한 폴로이드 자기장을 동반한 강착 원반이 존재해야 한다. 에르고스피어는 자기장 선이 블랙홀의 회전에 휘말리도록 하며, 이 과정에서 발생하는 자기권 전류는 블랙홀로부터 각운동량과 에너지를 효과적으로 끌어내는 역할을 한다.[8] 추출되는 에너지의 양은 자기장의 세기, 블랙홀의 각속도, 그리고 슈바르츠실트 반지름과 같은 요인들에 의해 결정된다.[4]

2. 1. 에르고스피어의 역할

펜로즈 과정과 마찬가지로, 에르고스피어는 블랜포드-즈나이엑 과정에서 중요한 역할을 한다. 블랙홀에서 에너지와 각운동량을 추출하려면, 블랙홀 주변의 전자기장이 자기권 전류에 의해 수정되어야 한다.[8] 이러한 전류가 흐르기 위해서는 전기장이 외부 영향으로부터 차폐되지 않아야 하는데, 이는 에르고스피어 내부에서 멀리 떨어진 곳에서 생성된 진공장이 차폐되지 않은 상태로 존재해야 함을 의미한다. 이 조건을 만족시키는 가장 유력한 방법은 강한 전기장과 방사선장 환경에서 전자-양전자 쌍(e±)이 연쇄적으로 생성되는 현상(쌍 생성 폭포)이다.[8] 에르고스피어는 그 안에 있는 자기권을 함께 회전시키는데, 이 과정에서 방출되는 각운동량의 흐름이 결국 블랙홀로부터 에너지를 끌어내는 결과를 낳는다.

블랜포드-즈나이엑 과정이 일어나기 위해서는 회전하는 블랙홀 주변에 강한 폴로이드 자기장을 가진 강착 원반이 필요하다. 이 자기장이 블랙홀의 회전 에너지를 추출하는 역할을 하며, 추출되는 에너지의 양(출력)은 대략 빛의 속도로 회전하는 원통 표면에서의 에너지 밀도와 그 면적을 곱한 값으로 추정할 수 있다.

: P = B^2\left(\frac{r}{r_c}\right)^4 r_c c = \frac{B^2 r^4 \omega^2}{c},

여기서 ''B''는 자기장 세기, r_c는 슈바르츠실트 반지름, ''ω''는 각속도를 나타낸다.[4]

2. 2. 강착 원반과 자기장의 상호작용

블랜포드-즈나이엑 과정이 일어나기 위해서는 회전하는 블랙홀 주변에 강한 폴로이드 자기장을 가진 강착 원반이 존재해야 한다. 이 자기장은 블랙홀의 회전 에너지, 즉 스핀 에너지를 추출하는 역할을 한다. 추출되는 에너지의 출력(P)은 빛 원통 속도에서의 에너지 밀도와 면적을 곱하여 다음과 같이 추정할 수 있다.[4]

: P = B^2\left(\frac{r}{r_c}\right)^4 r_c c = \frac{B^2 r^4 \omega^2}{c},

여기서 ''B''는 자기장의 세기, r_c는 슈바르츠실트 반지름, ''ω''는 각속도를 나타낸다.[4]

2. 3. 에너지 추출량 추정

블랜포드-즈나이엑 과정은 회전하는 블랙홀 주변에 강한 폴로이드 자기장을 가진 강착 원반이 존재할 때 발생한다. 이 과정은 자기장을 통해 블랙홀의 회전 에너지를 추출하는 방식으로 작동하며[8], 추출되는 에너지의 총량(출력)은 빛의 속도에 가까운 영역에서의 에너지 밀도와 그 면적을 곱하여 대략적으로 계산할 수 있다.

추출되는 에너지 ''P''는 다음 공식을 통해 추정할 수 있다.[4]

: P = B^2\left(\frac{r}{r_c}\right)^4 r_c c = \frac{B^2 r^4 \omega^2}{c}

여기서 각 기호는 다음을 의미한다:

이 공식은 추출 가능한 에너지가 자기장 세기의 제곱, 블랙홀의 회전 각속도 제곱 등에 비례함을 의미한다. 즉, 자기장이 강하고 블랙홀이 빠르게 회전할수록 더 많은 에너지를 추출할 수 있다.

참조

[1] 서적 Introduction to Black Hole Physics https://books.google[...] Oxford University Press
[2] 웹사이트 How black holes power relativistic jets https://medium.com/p[...] 2019-01-31
[3] 간행물 Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes 1977-07-01
[4] 서적 Accretion Power in Astrophysics Cambridge University Press 2002-02
[5] 간행물 Extracting Energy from Black Holes: The Relative Importance of the Blandford-Znajek Mechanism 1999-02-01
[6] 간행물 Total and Jet Blandford-Znajek Power in the Presence of an Accretion Disk http://adsabs.harvar[...] 2005-09-01
[7] 간행물 The Blandford-Znajek process as a central engine for a gamma-ray burst http://adsabs.harvar[...] 2000
[8] 서적 Compact objects in Astrophysics Springer
[9] 서적 Introduction to Black Hole Physics http://books.google.[...] Oxford University Press
[10] 간행물 Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes http://adsabs.harvar[...]
[11] 웹사이트 Blandford Znajek process http://everything2.c[...]
[12] 서적 Compact objects in Astrophysics Springer
[13] 문서 Relativistic Astrophysics and Cosmology Lecture Notes Cambridge University


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