الثقوب السوداء الدوارة والمشحونة

تدور الثقوب السوداء الحقيقية عادةً، ويُظهر حل كير الذي يصف الثقوب السوداء الدوارة، بالإضافة إلى تعميماته المشحونة، ميزات جديدة غائبة عن حالة شفارتزشيلد، بما في ذلك الغلاف الدوراني (ergosphere) وسحب الإطار (frame dragging).

Definition

الثقوب السوداء الدوارة والمشحونة هي حلول ثابتة لمعادلات أينشتاين (وأينشتاين-ماكسويل) تتميز بالكتلة بالإضافة إلى الزخم الزاوي والشحنة الكهربائية، وتتميز هندستها بسحب الأطر العطالية، وفي الحالات الدوارة، بوجود غلاف دوراني خارج الأفق.

Scope

يغطي هذا الموضوع مقياس كير للثقوب السوداء الدوارة، وحل ريسنر-نوردستروم للثقوب المشحونة، ومقياس كير-نيومان الذي يجمع بينهما؛ ويتناول الغلاف الدوراني وعملية بنروز لاستخراج الطاقة، وسحب الإطار، والآفاق الداخلية والخارجية، والحد الأقصى، والدور المركزي لهذه الحلول في الفيزياء الفلكية.

Core questions

• كيف يغير الدوران بنية الثقب الأسود مقارنة بحالة شفارتزشيلد؟
• ما هو الغلاف الدوراني وكيف يمكن استخدامه لاستخراج الطاقة؟
• لماذا يُتوقع أن تكون الثقوب السوداء الفلكية دوارة ولكنها غير مشحونة تقريبًا؟

Key concepts

• مقياس كير
• مقياسا ريسنر-نوردستروم وكير-نيومان
• الغلاف الدوراني (Ergosphere)
• سحب الإطار (Frame dragging)
• الآفاق الداخلية والخارجية
• عملية بنروز

Key theories

هندسة كير وسحب الإطار

يصف مقياس كير ثقبًا أسود دوارًا يسحب زخمه الزاوي الزمكان المحيط به، مما ينتج عنه غلاف دوراني خارج أفق الحدث لا يمكن لأي مراقب البقاء ساكنًا داخله.

عملية بنروز واستخراج الطاقة

نظرًا لأن الجسيمات في الغلاف الدوراني يمكن أن تمتلك طاقة سالبة بالنسبة إلى اللانهاية، فإن عملية تقسيم جسيم هناك يمكن أن تستخرج الطاقة الدورانية من الثقب الأسود، مما يقلل من دورانه، وهي آلية تكمن وراء نماذج توليد النفاثات الفلكية.

Clinical relevance

الثقوب السوداء الفلكية غير مشحونة بشكل أساسي ولكنها غالبًا ما تدور بسرعة، لذا فإن حل كير يحكم ديناميكيات أقراص التراكم، والمدار الدائري المستقر الأقرب الذي يحدد كفاءة القرص، والدوران المستنتج من أطياف الأشعة السينية ومن رنين إشارات موجات الجاذبية.

History

وجد ريسنر ونوردستروم الحل المشحون حوالي 1916-1918، لكن الحالة الدوارة قاومت الحل حتى إنجاز كير في عام 1963؛ وجمع نيومان وزملاؤه الشحنة والدوران في مقياس كير-نيومان عام 1965، وتلتها عملية بنروز لاستخراج الطاقة عام 1969.

Key figures

• Roy Kerr
• Roger Penrose
• Hans Reissner
• Ezra Newman

Seminal works

• kerr1963
• wald1984

Frequently asked questions

لماذا يُفترض أن الثقوب السوداء الحقيقية غير مشحونة؟

أي شحنة صافية على ثقب أسود فلكي ستجذب بسرعة شحنات معاكسة من البلازما المحيطة وتتعادل، لذا فإن الشحنة مهملة ديناميكيًا؛ أما الدوران، على النقيض من ذلك، فهو محفوظ وكبير عادةً، مما يجعل حل كير هو الحل المناسب.

ما هو سحب الإطار؟

سحب الإطار هو التواء الزمكان بواسطة كتلة دوارة، مما يجبر الأجسام القريبة وحتى الضوء على الانجراف في اتجاه الدوران؛ بالقرب من ثقب كير الأسود، يصبح قويًا جدًا داخل الغلاف الدوراني لدرجة أنه لا يمكن لأي شيء أن يبقى ساكنًا.