เหตุใดจึงสันนิษฐานว่าหลุมดำจริงไม่มีประจุ?

ประจุสุทธิใดๆ บนหลุมดำทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์จะดึงดูดประจุตรงข้ามจากพลาสมาโดยรอบอย่างรวดเร็วและทำให้เป็นกลาง ดังนั้นประจุจึงไม่มีนัยสำคัญทางพลวัต; ในทางตรงกันข้าม การหมุนจะถูกอนุรักษ์และมักจะมีขนาดใหญ่ ทำให้เคอร์เป็นผลเฉลยที่เกี่ยวข้อง

การลากกรอบอ้างอิงคืออะไร?

การลากกรอบอ้างอิงคือการบิดเบี้ยวของกาลอวกาศโดยมวลที่หมุน ซึ่งบังคับให้วัตถุใกล้เคียงและแม้แต่แสงถูกพาไปในทิศทางการหมุน; ใกล้หลุมดำเคอร์ มันจะแข็งแกร่งมากภายในเออร์โกสเฟียร์จนไม่มีสิ่งใดสามารถอยู่นิ่งได้

หลุมดำแบบหมุนและมีประจุ

โดยทั่วไปแล้วหลุมดำจริงจะมีการหมุน และผลเฉลยของเคอร์ (Kerr solution) ที่อธิบายหลุมดำแบบหมุน รวมถึงการขยายผลเฉลยที่มีประจุ แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติใหม่ที่ไม่มีในกรณีของชวาร์ซชิลด์ (Schwarzschild) ซึ่งรวมถึงเออร์โกสเฟียร์ (ergosphere) และการลากกรอบอ้างอิง (frame dragging)

ค้นหาหัวข้อด้วย PaperMindเร็ว ๆ นี้Find papers & topics

Tools & resources

ดาวน์โหลดสไลด์

Learn & explore

วิดีโอเร็ว ๆ นี้

Definition

หลุมดำแบบหมุนและมีประจุเป็นผลเฉลยแบบคงที่ของสมการของไอน์สไตน์ (Einstein) (และสมการของไอน์สไตน์-แมกซ์เวลล์ (Einstein-Maxwell)) ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยมวลพร้อมกับโมเมนตัมเชิงมุมและประจุไฟฟ้า โดยที่เรขาคณิตของมันมีการลากกรอบอ้างอิงเฉื่อย (inertial frames) และสำหรับกรณีการหมุน จะมีเออร์โกสเฟียร์อยู่นอกขอบฟ้าเหตุการณ์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเมตริกเคอร์ (Kerr metric) สำหรับหลุมดำแบบหมุน, ผลเฉลยของไรส์เนอร์-นอร์ดสตรอม (Reissner-Nordstrom solution) สำหรับหลุมดำมีประจุ, และเมตริกเคอร์-นิวแมน (Kerr-Newman metric) ที่รวมทั้งสองกรณีเข้าด้วยกัน; นอกจากนี้ยังกล่าวถึงเออร์โกสเฟียร์และกระบวนการเพนโรส (Penrose process) สำหรับการสกัดพลังงาน, การลากกรอบอ้างอิง, ขอบฟ้าเหตุการณ์ชั้นในและชั้นนอก (inner and outer horizons), ขีดจำกัดสุดขีด (extremal limit), และบทบาทสำคัญของผลเฉลยเหล่านี้ในฟิสิกส์ดาราศาสตร์

Core questions

การหมุนเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของหลุมดำอย่างไรเมื่อเทียบกับกรณีของชวาร์ซชิลด์?
เออร์โกสเฟียร์คืออะไร และสามารถนำมาใช้สกัดพลังงานได้อย่างไร?
เหตุใดหลุมดำทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์จึงคาดว่าจะมีการหมุนแต่แทบจะไม่มีประจุ?

Key concepts

เมตริกเคอร์
เมตริกไรส์เนอร์-นอร์ดสตรอม และเคอร์-นิวแมน
เออร์โกสเฟียร์
การลากกรอบอ้างอิง
ขอบฟ้าเหตุการณ์ชั้นในและชั้นนอก
กระบวนการเพนโรส

Key theories

เรขาคณิตของเคอร์และการลากกรอบอ้างอิง: เมตริกเคอร์อธิบายหลุมดำแบบหมุนซึ่งโมเมนตัมเชิงมุมของมันลากกาลอวกาศโดยรอบให้หมุนตามไปด้วย ทำให้เกิดเออร์โกสเฟียร์นอกขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งภายในนั้นไม่มีผู้สังเกตการณ์คนใดสามารถอยู่นิ่งได้
กระบวนการเพนโรสและการสกัดพลังงาน: เนื่องจากอนุภาคในเออร์โกสเฟียร์อาจมีพลังงานเป็นลบเมื่อเทียบกับอนันต์ กระบวนการที่แยกอนุภาคในบริเวณนั้นสามารถสกัดพลังงานการหมุนออกจากหลุมดำได้ ซึ่งจะลดการหมุนของหลุมดำ กลไกนี้เป็นพื้นฐานของแบบจำลองการขับเคลื่อนเจ็ตทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์

Clinical relevance

หลุมดำทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์โดยพื้นฐานแล้วไม่มีประจุ แต่มักจะหมุนอย่างรวดเร็ว ดังนั้นผลเฉลยของเคอร์จึงควบคุมพลวัตของจานพอกพูนมวล (accretion disks), วงโคจรวงกลมที่เสถียรที่สุดชั้นใน (innermost stable circular orbit) ซึ่งกำหนดประสิทธิภาพของจาน, และการหมุนที่อนุมานได้จากสเปกตรัมรังสีเอกซ์และจากการสั่นสะเทือนสุดท้าย (ringdown) ของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง

History

ไรส์เนอร์ (Reissner) และนอร์ดสตรอม (Nordstrom) ค้นพบผลเฉลยที่มีประจุในช่วงปี 1916-1918 แต่กรณีการหมุนยังคงต้านทานการหาผลเฉลยจนกระทั่งเคอร์ (Kerr) ค้นพบความก้าวหน้าในปี 1963; นิวแมน (Newman) และผู้ร่วมงานได้รวมประจุและการหมุนเข้าด้วยกันในเมตริกเคอร์-นิวแมนในปี 1965 และกระบวนการเพนโรสสำหรับการสกัดพลังงานตามมาในปี 1969

Key figures

Roy Kerr
Roger Penrose
Hans Reissner
Ezra Newman

Seminal works

kerr1963
wald1984

Frequently asked questions

เหตุใดจึงสันนิษฐานว่าหลุมดำจริงไม่มีประจุ?: ประจุสุทธิใดๆ บนหลุมดำทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์จะดึงดูดประจุตรงข้ามจากพลาสมาโดยรอบอย่างรวดเร็วและทำให้เป็นกลาง ดังนั้นประจุจึงไม่มีนัยสำคัญทางพลวัต; ในทางตรงกันข้าม การหมุนจะถูกอนุรักษ์และมักจะมีขนาดใหญ่ ทำให้เคอร์เป็นผลเฉลยที่เกี่ยวข้อง
การลากกรอบอ้างอิงคืออะไร?: การลากกรอบอ้างอิงคือการบิดเบี้ยวของกาลอวกาศโดยมวลที่หมุน ซึ่งบังคับให้วัตถุใกล้เคียงและแม้แต่แสงถูกพาไปในทิศทางการหมุน; ใกล้หลุมดำเคอร์ มันจะแข็งแกร่งมากภายในเออร์โกสเฟียร์จนไม่มีสิ่งใดสามารถอยู่นิ่งได้