Agujeros negros en rotación y cargados

Los agujeros negros reales generalmente giran, y la solución de Kerr que describe los agujeros negros en rotación, junto con sus generalizaciones cargadas, exhibe nuevas características ausentes en el caso de Schwarzschild, incluyendo una ergosfera y arrastre de marco.

Definition

Los agujeros negros en rotación y cargados son soluciones estacionarias de las ecuaciones de Einstein (y Einstein-Maxwell) caracterizadas por masa junto con momento angular y carga eléctrica, cuya geometría presenta arrastre de marcos inerciales y, para los casos en rotación, una ergosfera fuera del horizonte.

Scope

Este tema cubre la métrica de Kerr para agujeros negros en rotación, la solución de Reissner-Nordstrom para los cargados, y la métrica de Kerr-Newman que combina ambos; trata la ergosfera y el proceso de Penrose para la extracción de energía, el arrastre de marco, los horizontes interior y exterior, el límite extremal, y el papel central de estas soluciones en la astrofísica.

Core questions

• ¿Cómo cambia la rotación la estructura de un agujero negro en comparación con Schwarzschild?
• ¿Qué es la ergosfera y cómo se puede utilizar para extraer energía?
• ¿Por qué se espera que los agujeros negros astrofísicos estén en rotación pero casi sin carga?

Key concepts

• Métrica de Kerr
• Métricas de Reissner-Nordstrom y Kerr-Newman
• Ergosfera
• Arrastre de marco
• Horizontes interior y exterior
• Proceso de Penrose

Key theories

Geometría de Kerr y arrastre de marco

La métrica de Kerr describe un agujero negro en rotación cuyo momento angular arrastra el espacio-tiempo circundante a su alrededor, produciendo una ergosfera fuera del horizonte de sucesos dentro de la cual ningún observador puede permanecer estático.

Proceso de Penrose y extracción de energía

Debido a que las partículas en la ergosfera pueden tener energía negativa en relación con el infinito, un proceso que divide una partícula allí puede extraer energía rotacional del agujero negro, reduciendo su giro, un mecanismo subyacente a los modelos de propulsión de chorros astrofísicos.

Clinical relevance

Los agujeros negros astrofísicos son esencialmente sin carga pero a menudo giran rápidamente, por lo que la solución de Kerr rige la dinámica de los discos de acreción, la órbita circular estable más interna que establece la eficiencia del disco, y el giro inferido de los espectros de rayos X y del "ringdown" de las señales de ondas gravitacionales.

History

Reissner y Nordstrom encontraron la solución cargada alrededor de 1916-1918, pero el caso en rotación resistió la solución hasta el avance de Kerr en 1963; Newman y colaboradores combinaron carga y giro en la métrica de Kerr-Newman en 1965, y el proceso de Penrose para la extracción de energía siguió en 1969.

Key figures

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

Seminal works

• kerr1963
• wald1984

Frequently asked questions

¿Por qué se asume que los agujeros negros reales no tienen carga?

Cualquier carga neta en un agujero negro astrofísico atraería rápidamente cargas opuestas del plasma circundante y se neutralizaría, por lo que la carga es dinámicamente insignificante; el giro, por el contrario, se conserva y es comúnmente grande, haciendo de Kerr la solución relevante.

¿Qué es el arrastre de marco?

El arrastre de marco es la torsión del espacio-tiempo por una masa en rotación, lo que obliga a los objetos cercanos e incluso a la luz a ser arrastrados en la dirección de la rotación; cerca de un agujero negro de Kerr se vuelve tan fuerte dentro de la ergosfera que nada puede permanecer inmóvil.