Trous noirs en rotation et chargés

Les trous noirs réels sont généralement en rotation, et la solution de Kerr décrivant les trous noirs en rotation, ainsi que ses généralisations chargées, présentent de nouvelles caractéristiques absentes du cas de Schwarzschild, notamment une ergosphère et l'entraînement des référentiels.

Definition

Les trous noirs en rotation et chargés sont des solutions stationnaires des équations d'Einstein (et d'Einstein-Maxwell) caractérisées par une masse, un moment angulaire et une charge électrique, dont la géométrie présente un entraînement des référentiels inertiels et, pour les cas en rotation, une ergosphère à l'extérieur de l'horizon.

Scope

Ce sujet couvre la métrique de Kerr pour les trous noirs en rotation, la solution de Reissner-Nordstrom pour les trous noirs chargés, et la métrique de Kerr-Newman combinant les deux ; il traite de l'ergosphère et du processus de Penrose pour l'extraction d'énergie, de l'entraînement des référentiels, des horizons intérieur et extérieur, de la limite extrémale, et du rôle central de ces solutions en astrophysique.

Core questions

• Comment la rotation modifie-t-elle la structure d'un trou noir par rapport au cas de Schwarzschild ?
• Qu'est-ce que l'ergosphère et comment peut-elle être utilisée pour extraire de l'énergie ?
• Pourquoi les trous noirs astrophysiques sont-ils censés être en rotation mais presque non chargés ?

Key concepts

• Métrique de Kerr
• Métrique de Reissner-Nordstrom et de Kerr-Newman
• Ergosphère
• Entraînement des référentiels
• Horizons intérieur et extérieur
• Processus de Penrose

Key theories

Géométrie de Kerr et entraînement des référentiels

La métrique de Kerr décrit un trou noir en rotation dont le moment angulaire entraîne l'espace-temps environnant, produisant une ergosphère à l'extérieur de l'horizon des événements, à l'intérieur de laquelle aucun observateur ne peut rester statique.

Processus de Penrose et extraction d'énergie

Étant donné que les particules dans l'ergosphère peuvent avoir une énergie négative par rapport à l'infini, un processus de division d'une particule à cet endroit peut extraire l'énergie de rotation du trou noir, réduisant son spin, un mécanisme sous-jacent aux modèles d'alimentation des jets astrophysiques.

Clinical relevance

Les trous noirs astrophysiques sont essentiellement non chargés mais souvent en rotation rapide, de sorte que la solution de Kerr régit la dynamique des disques d'accrétion, l'orbite circulaire stable la plus interne déterminant l'efficacité du disque, et le spin déduit des spectres de rayons X et de la phase de 'ringdown' des signaux d'ondes gravitationnelles.

History

Reissner et Nordstrom ont découvert la solution chargée vers 1916-1918, mais le cas en rotation a résisté à une solution jusqu'à la percée de Kerr en 1963 ; Newman et ses collaborateurs ont combiné la charge et le spin dans la métrique de Kerr-Newman en 1965, et le processus de Penrose pour l'extraction d'énergie a suivi en 1969.

Key figures

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

Seminal works

• kerr1963
• wald1984

Frequently asked questions

Pourquoi les trous noirs réels sont-ils supposés être non chargés ?

Toute charge nette sur un trou noir astrophysique attirerait rapidement des charges opposées du plasma environnant et se neutraliserait, de sorte que la charge est dynamiquement négligeable ; le spin, en revanche, est conservé et généralement important, faisant de Kerr la solution pertinente.

Qu'est-ce que l'entraînement des référentiels ?

L'entraînement des référentiels est la torsion de l'espace-temps par une masse en rotation, ce qui force les objets proches et même la lumière à être entraînés dans la direction de la rotation ; près d'un trou noir de Kerr, il devient si fort à l'intérieur de l'ergosphère que rien ne peut rester immobile.