Rotierende und geladene Schwarze Löcher

Reale Schwarze Löcher rotieren in der Regel, und die Kerr-Lösung, die rotierende Schwarze Löcher beschreibt, weist zusammen mit ihren geladenen Verallgemeinerungen neue Merkmale auf, die im Schwarzschild-Fall nicht vorhanden sind, darunter eine Ergosphäre und Frame-Dragging.

Definition

Rotierende und geladene Schwarze Löcher sind stationäre Lösungen der Einstein- (und Einstein-Maxwell-) Gleichungen, die durch Masse zusammen mit Drehimpuls und elektrischer Ladung gekennzeichnet sind, deren Geometrie ein Mitreißen von Inertialsystemen (Frame-Dragging) und, bei rotierenden Fällen, eine Ergosphäre außerhalb des Horizonts aufweist.

Scope

Dieses Thema behandelt die Kerr-Metrik für rotierende Schwarze Löcher, die Reissner-Nordström-Lösung für geladene Schwarze Löcher und die Kerr-Newman-Metrik, die beide kombiniert; es behandelt die Ergosphäre und den Penrose-Prozess zur Energiegewinnung, Frame-Dragging, die inneren und äußeren Horizonte, die Extremalitätsgrenze und die zentrale Rolle dieser Lösungen in der Astrophysik.

Core questions

• Wie verändert die Rotation die Struktur eines Schwarzen Lochs im Vergleich zu Schwarzschild?
• Was ist die Ergosphäre und wie kann sie zur Energiegewinnung genutzt werden?
• Warum wird angenommen, dass astrophysikalische Schwarze Löcher rotieren, aber nahezu ungeladen sind?

Key concepts

• Kerr-Metrik
• Reissner-Nordström- und Kerr-Newman-Metriken
• Ergosphäre
• Frame-Dragging
• Innere und äußere Horizonte
• Penrose-Prozess

Key theories

Kerr-Geometrie und Frame-Dragging

Die Kerr-Metrik beschreibt ein rotierendes Schwarzes Loch, dessen Drehimpuls die umgebende Raumzeit mit sich reißt, wodurch eine Ergosphäre außerhalb des Ereignishorizonts entsteht, innerhalb derer kein Beobachter statisch bleiben kann.

Penrose-Prozess und Energiegewinnung

Da Teilchen in der Ergosphäre eine negative Energie relativ zur Unendlichkeit haben können, kann ein Prozess, der ein Teilchen dort spaltet, Rotationsenergie aus dem Schwarzen Loch extrahieren und dessen Spin reduzieren, ein Mechanismus, der astrophysikalischen Jet-Antriebsmodellen zugrunde liegt.

Clinical relevance

Astrophysikalische Schwarze Löcher sind im Wesentlichen ungeladen, aber oft schnell rotierend, sodass die Kerr-Lösung die Dynamik von Akkretionsscheiben, die innerste stabile Kreisbahn, die die Effizienz der Scheibe bestimmt, und den aus Röntgenspektren und dem Ringdown von Gravitationswellensignalen abgeleiteten Spin regelt.

History

Reissner und Nordström fanden die geladene Lösung um 1916-1918, aber der rotierende Fall widerstand einer Lösung bis zu Kerrs Durchbruch im Jahr 1963; Newman und Mitarbeiter kombinierten Ladung und Spin in der Kerr-Newman-Metrik im Jahr 1965, und der Penrose-Prozess zur Energiegewinnung folgte 1969.

Key figures

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

Seminal works

• kerr1963
• wald1984

Frequently asked questions

Warum wird angenommen, dass reale Schwarze Löcher ungeladen sind?

Jede Nettoladung eines astrophysikalischen Schwarzen Lochs würde schnell entgegengesetzte Ladungen aus dem umgebenden Plasma anziehen und neutralisieren, sodass die Ladung dynamisch vernachlässigbar ist; der Spin hingegen ist konserviert und häufig groß, was die Kerr-Lösung zur relevanten Lösung macht.

Was ist Frame-Dragging?

Frame-Dragging ist die Verdrillung der Raumzeit durch eine rotierende Masse, die nahegelegene Objekte und sogar Licht dazu zwingt, in Rotationsrichtung mitgerissen zu werden; in der Nähe eines Kerr-Schwarzen Lochs wird es innerhalb der Ergosphäre so stark, dass nichts still bleiben kann.