Buracos Negros em Rotação e Carregados

Os buracos negros reais geralmente giram, e a solução de Kerr que descreve buracos negros em rotação, juntamente com suas generalizações carregadas, exibe novas características ausentes no caso de Schwarzschild, incluindo uma ergosfera e o arrastamento de referenciais.

Definition

Buracos negros em rotação e carregados são soluções estacionárias das equações de Einstein (e Einstein-Maxwell) caracterizadas por massa juntamente com momento angular e carga elétrica, cuja geometria apresenta arrastamento de referenciais inerciais e, para casos em rotação, uma ergosfera fora do horizonte.

Scope

Este tópico abrange a métrica de Kerr para buracos negros em rotação, a solução de Reissner-Nordstrom para os carregados, e a métrica de Kerr-Newman que combina ambos; trata da ergosfera e do processo de Penrose para extração de energia, do arrastamento de referenciais, dos horizontes interno e externo, do limite extremal, e do papel central dessas soluções na astrofísica.

Core questions

• Como a rotação altera a estrutura de um buraco negro em comparação com Schwarzschild?
• O que é a ergosfera e como pode ser usada para extrair energia?
• Por que se espera que os buracos negros astrofísicos estejam em rotação, mas quase descarregados?

Key concepts

• Métrica de Kerr
• Métricas de Reissner-Nordstrom e Kerr-Newman
• Ergosfera
• Arrastamento de referenciais
• Horizontes interno e externo
• Processo de Penrose

Key theories

Geometria de Kerr e arrastamento de referenciais

A métrica de Kerr descreve um buraco negro em rotação cujo momento angular arrasta o espaço-tempo circundante, produzindo uma ergosfera fora do horizonte de eventos, dentro da qual nenhum observador pode permanecer estático.

Processo de Penrose e extração de energia

Como as partículas na ergosfera podem ter energia negativa em relação ao infinito, um processo que divide uma partícula ali pode extrair energia rotacional do buraco negro, reduzindo seu spin, um mecanismo subjacente a modelos de jatos astrofísicos.

Clinical relevance

Os buracos negros astrofísicos são essencialmente descarregados, mas frequentemente giram rapidamente, de modo que a solução de Kerr governa a dinâmica dos discos de acreção, a órbita circular estável mais interna que define a eficiência do disco, e o spin inferido a partir de espectros de raios-X e do "ringdown" de sinais de ondas gravitacionais.

History

Reissner e Nordstrom encontraram a solução carregada por volta de 1916-1918, mas o caso em rotação resistiu à solução até a descoberta de Kerr em 1963; Newman e colaboradores combinaram carga e spin na métrica de Kerr-Newman em 1965, e o processo de Penrose para extração de energia seguiu em 1969.

Key figures

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

Seminal works

• kerr1963
• wald1984

Frequently asked questions

Por que se assume que os buracos negros reais são descarregados?

Qualquer carga líquida em um buraco negro astrofísico atrairia rapidamente cargas opostas do plasma circundante e se neutralizaria, de modo que a carga é dinamicamente desprezível; o spin, em contraste, é conservado e geralmente grande, tornando Kerr a solução relevante.

O que é o arrastamento de referenciais?

O arrastamento de referenciais é a torção do espaço-tempo por uma massa em rotação, que força objetos próximos e até mesmo a luz a serem arrastados na direção da rotação; perto de um buraco negro de Kerr, torna-se tão forte dentro da ergosfera que nada pode permanecer parado.