Вращающиеся и заряженные черные дыры

Реальные черные дыры обычно вращаются, и решение Керра, описывающее вращающиеся черные дыры, наряду с его заряженными обобщениями, демонстрирует новые особенности, отсутствующие в случае Шварцшильда, включая эргосферу и увлечение инерциальных систем отсчета.

Definition

Вращающиеся и заряженные черные дыры — это стационарные решения уравнений Эйнштейна (и Эйнштейна-Максвелла), характеризующиеся массой, а также угловым моментом и электрическим зарядом, геометрия которых включает увлечение инерциальных систем отсчета и, для вращающихся случаев, эргосферу за пределами горизонта.

Scope

Эта тема охватывает метрику Керра для вращающихся черных дыр, решение Рейсснера-Нордстрема для заряженных черных дыр и метрику Керра-Ньюмена, объединяющую оба случая; она рассматривает эргосферу и процесс Пенроуза для извлечения энергии, увлечение инерциальных систем отсчета, внутренний и внешний горизонты, экстремальный предел и центральную роль этих решений в астрофизике.

Core questions

• Как вращение изменяет структуру черной дыры по сравнению со случаем Шварцшильда?
• Что такое эргосфера и как ее можно использовать для извлечения энергии?
• Почему астрофизические черные дыры, как ожидается, вращаются, но почти не заряжены?

Key concepts

• Метрика Керра
• Метрики Рейсснера-Нордстрема и Керра-Ньюмена
• Эргосфера
• Увлечение инерциальных систем отсчета
• Внутренний и внешний горизонты
• Процесс Пенроуза

Key theories

Геометрия Керра и увлечение инерциальных систем отсчета

Метрика Керра описывает вращающуюся черную дыру, угловой момент которой увлекает окружающее пространство-время, создавая эргосферу за пределами горизонта событий, внутри которой ни один наблюдатель не может оставаться неподвижным.

Процесс Пенроуза и извлечение энергии

Поскольку частицы в эргосфере могут иметь отрицательную энергию относительно бесконечности, процесс расщепления частицы там может извлекать вращательную энергию из черной дыры, уменьшая ее спин, что является механизмом, лежащим в основе моделей формирования астрофизических джетов.

Clinical relevance

Астрофизические черные дыры по существу незаряжены, но часто быстро вращаются, поэтому решение Керра определяет динамику аккреционных дисков, внутреннюю стабильную круговую орбиту, устанавливающую эффективность диска, и спин, выводимый из рентгеновских спектров и из послесвечения сигналов гравитационных волн.

History

Рейсснер и Нордстрем нашли заряженное решение примерно в 1916-1918 годах, но случай вращения сопротивлялся решению до прорыва Керра в 1963 году; Ньюмен и сотрудники объединили заряд и спин в метрике Керра-Ньюмена в 1965 году, а процесс Пенроуза для извлечения энергии последовал в 1969 году.

Key figures

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

Seminal works

• kerr1963
• wald1984

Frequently asked questions

Почему реальные черные дыры считаются незаряженными?

Любой чистый заряд на астрофизической черной дыре быстро притянет противоположные заряды из окружающей плазмы и нейтрализуется, поэтому заряд динамически незначителен; спин, напротив, сохраняется и обычно велик, что делает решение Керра релевантным.

Что такое увлечение инерциальных систем отсчета?

Увлечение инерциальных систем отсчета — это искривление пространства-времени вращающейся массой, которое заставляет близлежащие объекты и даже свет увлекаться в направлении вращения; вблизи черной дыры Керра оно становится настолько сильным внутри эргосферы, что ничто не может оставаться неподвижным.