回転するブラックホールと電荷を持つブラックホール

実際のブラックホールは一般的に回転しており、回転するブラックホールを記述するカー解と、その電荷を持つ一般化された解は、エルゴ球やフレームドラッギングなど、シュワルツシルト解にはない新たな特徴を示します。

Definition

回転するブラックホールと電荷を持つブラックホールは、質量に加えて角運動量と電荷によって特徴づけられる、アインシュタイン方程式（およびアインシュタイン・マクスウェル方程式）の定常解であり、その幾何学は慣性系の引きずり（フレームドラッギング）を特徴とし、回転するケースでは事象の地平線の外側にエルゴ球を持ちます。

Scope

このトピックでは、回転するブラックホールに対するカー計量、電荷を持つブラックホールに対するライスナー・ノルドシュトローム解、および両方を組み合わせたカー・ニューマン計量について扱います。また、エルゴ球とエネルギー抽出のためのペンローズ過程、フレームドラッギング、内外の事象の地平線、極限、そして天体物理学におけるこれらの解の中心的な役割についても論じます。

Core questions

• 回転はシュワルツシルトブラックホールと比較してブラックホールの構造をどのように変化させますか？
• エルゴ球とは何ですか、そしてそれはどのようにエネルギー抽出に利用できますか？
• 天体物理学的なブラックホールはなぜ回転していると予想されるのに、ほとんど電荷を持たないとされているのですか？

Key concepts

• カー計量
• ライスナー・ノルドシュトローム計量とカー・ニューマン計量
• エルゴ球
• フレームドラッギング
• 内外の事象の地平線
• ペンローズ過程

Key theories

カー幾何学とフレームドラッギング

カー計量は回転するブラックホールを記述し、その角運動量は周囲の時空を引きずり、事象の地平線の外側にエルゴ球を生成します。エルゴ球内では、いかなる観測者も静止することはできません。

ペンローズ過程とエネルギー抽出

エルゴ球内の粒子は無限遠に対して負のエネルギーを持つことができるため、そこで粒子を分裂させる過程によって、ブラックホールから回転エネルギーを抽出し、そのスピンを減少させることができます。これは天体物理学的なジェット噴出モデルの根底にあるメカニズムです。

Clinical relevance

天体物理学的なブラックホールは本質的に電荷を持たないものの、しばしば高速で回転しているため、カー解は降着円盤のダイナミクス、円盤効率を決定する最も内側の安定な円軌道、X線スペクトルや重力波信号のリングダウンから推測されるスピンを支配します。

History

ライスナーとノルドシュトロームは1916年から1918年頃に電荷を持つ解を発見しましたが、回転するケースは1963年のカーの画期的な発見まで解明されませんでした。ニューマンと共同研究者たちは1965年にカー・ニューマン計量で電荷とスピンを組み合わせ、エネルギー抽出のためのペンローズ過程は1969年に続きました。

Key figures

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

Seminal works

• kerr1963
• wald1984

Frequently asked questions

なぜ実際のブラックホールは電荷を持たないと仮定されるのですか？

天体物理学的なブラックホールが正味の電荷を持つ場合、周囲のプラズマから反対の電荷を迅速に引き寄せ、中和されるため、電荷は動的に無視できます。対照的に、スピンは保存され、一般的に大きいため、カー解が関連する解となります。

フレームドラッギングとは何ですか？

フレームドラッギングとは、回転する質量によって時空がねじれる現象であり、近くの物体や光さえも回転方向に引きずり込まれます。カーブラックホールの近くでは、エルゴ球内で非常に強くなり、何も静止することができなくなります。